The numerical simulation of a 271-rod fuel assembly of nuclear Liquid-Metal Fast Reactor (LMFR) with an infernal blockage has been carried out. Internal blockage within a subassembly is addressed in the safety assessment because it potentially has very serious consequences for the reactor as a whole. Three dimensional calculations were performed using the SABRE4 computer code for the range of blockage positions and sizes to investigate the seriousness and detectability of the internal blockage. The magnitude and location of the peak temperatures together with the temperature distribution at the subassembly exit were calculated in order to look at the potential for damage within the subassembly, and the possibility of blockage detection. The analysis result shows that the 6-subchannel blockage causes large temperature rise within a assembly with practically no change in mixed mean temperature at the assembly exit.
Core disruptive accidents have been investigated at Korea Atomic Energy Research Institute(KAERI) as part of the work to demonstrate the inherent and ultimate safety of conceptual design of the Korea Advanced Liquid Metal Reactor(KALIMER), a 150 MWe pool- type sodium cooled prototype fast reactor that uses U-Pu-Zr metallic fuel. In this study, a simple method and associated computer program, SCHAMBETA, was developed using a modified Bethe-Tait method to simulate the kinetics and thermodynamic behavior of a homogeneous spherical core over the period of the super-prompt critical power excursion induced by the ramp reactivity insertion. Calculations of the energy release during excursions in the sodium-voided core of the KALIMER were subsequently performed using the SCHAMBETA code for various reactivity insertion rates up to 100 S/s, which has been widely considered to be the upper limit of ramp rates due to fuel compaction. Benchmark calculations were made to compare with the results of more detailed analysis for core meltdown energetics of the oxide fuelled fast reactor. A set of parametric studies were also performed to investigate the sensitivity of the results on the various thermodynamics and reactor parameters.
Xian-Wen Li;Xing-Kang Su;Long Gu;Xiang-Yang Wang;Da-Jun Fan
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.5
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pp.1802-1813
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2023
Conjugate heat transfer between liquid metal and solid is a common phenomenon in a liquid-metal-cooled fast reactor's fuel assembly and heat exchanger, dramatically affecting the reactor's safety and economy. Therefore, comprehensively studying the sophisticated conjugate heat transfer in a liquid-metal-cooled fast reactor is profound. However, it has been evidenced that the traditional Simple Gradient Diffusion Hypothesis (SGDH), assuming a constant turbulent Prandtl number (Prt,, usually 0.85 - 1.0), is inappropriate in the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of liquid metal. In recent decades, numerous studies have been performed on the four-equation model, which is expected to improve the precision of liquid metal's CFD simulations but has not been introduced into the conjugate heat transfer calculation between liquid metal and solid. Consequently, a four-equation model, consisting of the Abe k - ε turbulence model and the Manservisi k𝜃 - ε𝜃 heat transfer model, is applied to study the conjugate heat transfer concerning liquid metal in the present work. To verify the numerical validity of the four-equation model used in the conjugate heat transfer simulations, we reproduce Johnson's experiments of the liquid lead-bismuth-cooled turbulent pipe flow using the four-equation model and the traditional SGDH model. The simulation results obtained with different models are compared with the available experimental data, revealing that the relative errors of the local Nusselt number and mean heat transfer coefficient obtained with the four-equation model are considerably reduced compared with the SGDH model. Then, the thermal-hydraulic characteristics of liquid metal turbulent pipe flow obtained with the four-equation model are analyzed. Moreover, the impact of the turbulence model used in the four-equation model on overall simulation performance is investigated. At last, the effectiveness of the four-equation model in the CFD simulations of liquid sodium conjugate heat transfer is assessed. This paper mainly proves that it is feasible to use the four-equation model in the study of liquid metal conjugate heat transfer and provides a reference for the research of conjugate heat transfer in a liquid-metal-cooled fast reactor.
In liquid metal fast breeder reactors, postulated failures of the plant protection system may lead to serious unprotected accidental consequences. Unprotected transients are generically categorized as transient overpower accidents and transient under cooling accidents. In both cases, core meltdown may occur and this can lead to a molten fuel coolant interaction (MFCI). The understanding of MFCI phenomena is essential for study of debris coolability and characteristics during post-accident heat removal. Sodium is used as coolant in liquid metal fast breeder reactors. Viewing inside sodium at elevated temperature is impossible because of its opaqueness. In the present study, a methodology to depict MFCI phenomena using a flat panel detector based imaging system (i.e., real time radiography) is brought out using a woods metal-water experimental facility which simulates the $UO_2-Na$ interaction. The developed imaging system can capture attributes of the MFCI process like jet breakup length, jet front velocity, fragmented particle size, and a profile of the debris bed using digital image processing methods like image filtering, segmentation, and edge detection. This paper describes the MFCI process and developed imaging methodology to capture MFCI attributes which are directly related to the safe aspects of a sodium fast reactor.
The thermal, mechanical, and neutronic performance of the metal alloy fast reactor fuel design complements the safety advantages of the liquid metal cooling and the pool-type primary system. Together, these features provide large safety margins in both normal operating modes and for a wide range of postulated accidents. In particular, they maximize the measures of safety associated with inherent reactor response to unprotected, doublefault accidents, and to minimize risk to the public and plant investment. High thermal conductivity and high gap conductance play the most significant role in safety advantages of the metallic fuel, resulting in a flatter radial temperature profile within the pin and much lower normal operation and transient temperatures in comparison to oxide fuel. Despite the big difference in melting point, both oxide and metal fuels have a relatively similar margin to melting during postulated accidents. When the metal fuel cladding fails, it typically occurs below the coolant boiling point and the damaged fuel pins remain coolable. Metal fuel is compatible with sodium coolant, eliminating the potential of energetic fuel-coolant reactions and flow blockages. All these, and the low retained heat leading to a longer grace period for operator action, are significant contributing factors to the inherently benign response of metallic fuel to postulated accidents. This paper summarizes the past analytical and experimental results obtained in past sodium-cooled fast reactor safety programs in the United States, and presents an overview of fuel safety performance as observed in laboratory and in-pile tests.
The investigation of the utilization of enriched 208Pb as a coolant to enhance the performance of a long-life fast reactor with a Modified CANDLE (Constant Axial shape of Neutron flux, nuclide densities, and power shape During Life of Energy production) burnup scheme has performed. The analyzes were performed on a reactor with thermal power of 800 MegaWatt Thermal (MWTh) with a refueling process every 15 years. Uranium Nitride (enriched 15N), 208Pb, and High-Cr martensitic steel HT-9 were employed as fuel, coolant, and cladding materials, respectively. One of the Pb-nat isotopes, 208Pb, has the smallest neutron capture cross-section (0.23 mb) among other liquid metal coolants. Furthermore, the neutron-producing cross-section (n, 2n) of 208Pb is larger than sodium (Na). On the other hand, the inelastic scattering energy threshold of 208Pb is the highest among Na, natPb, and Bi. The small inelastic scattering cross-section of 208Pb can harden the neutron energy spectrum. Therefore, 208Pb is a better neutron multiplier than any other liquid metal coolant. The excess neutrons cause more production than consumption of 239Pu. Hence, it can reduce the initial fuel loading of the reactor. The selective photoreaction process was developing to obtain enriched 208Pb. The neutronic was calculated using SRAC and JENDL 4.0 as a nuclear data library. We obtained that the modified CANDLE reactor with enriched 208Pb as coolant and reflector has the highest k-eff among all reactors. Meanwhile, the natPb cooled reactor has the lowest k-eff. Thus, the utilization of the enriched 208Pb as the coolant can reduce reactor initial fuel loading. Moreover, the enriched 208Pb-cooled reactor has the smallest power peaking factor among all reactors. Therefore, the enriched 208Pb can enhance the performance of a long-life Modified CANDLE fast reactor.
The small modular liquid-metal fast reactor (SMFR) is an important component of advanced nuclear systems. SMFRs exhibit relatively low breeding capability and constraint space for control rod installation. Consequently, control rods are deeply inserted at beginning and are withdrawn gradually to compensate for large burnup reactivity loss in a long lifetime. This paper is committed to investigating the impact of control rod compensation operation on core neutronics characteristics. This paper presents a whole core fine depletion model of long lifetime SMFR using OpenMC and the influence of depletion chains is verified. Three control rod position schemes to simulate the compensation process are compared. The results show that the fine simulation of the control rod compensation process impacts significantly the fuel burnup distribution and absorber consumption. A control rod equivalent position scheme proposed in this work is an optimal option in the trade-off between computation time and accuracy. The control position is crucial for accurate power distribution and void feedback coefficients in SMFRs. The results in this paper also show that the pin level power distribution is important due to the heterogeneous distribution in SMFRs. The fuel burnup distribution at the end of core life impacts the worth of control rods.
Among Generation IV reactors, the sodium-cooled fast reactor (SFR) is attracting attention as a system having great potential for commercial use. Gas entrainment is a thermal-hydraulic issue related to the safety problem of the reactor core in the SFR. Typically, a dipped plate or baffles are installed under the free surface to suppress gas entrainment. However, these approaches can cause gas entrainment in other locations and require many trial-and-error and verifications. In this study, a new strategy using magnetohydrodynamics to suppress gas entrainment in the SFR is proposed. In a counter-flow model, a judgment criterion of gas entrainment occurrence was developed for both water and liquid metal. Moreover, the gas entrainment can be completely suppressed by applying a magnetic field.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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