SiC has been under investigation as a potential cladding for LWR fuel, due to its high melting point and drastically reduced chemical reactivity with liquid water, and steam at high temperatures. As SiC is a brittle material its behavior during the reflood phase of a Loss of Coolant Accident (LOCA) is another important aspect of SiC that must be examined as part of the feasibility assessment for its application to LWR fuel rods. In this study, an experimental assessment of thermal shock performance of a monolithic alpha phase SiC tube was conducted by quenching the material from high temperature (up to $1200^{\circ}C$) into room temperature water. Post-quenching assessment was carried out by a Scanning Electron Microscopy (SEM) image analysis to characterize fractures in the material. This paper assesses the effects of pre-existing pores on SiC cladding brittle fracture and crack development/propagation during the reflood phase. Proper extension of these guidelines to an SiC/SiC ceramic matrix composite (CMC) cladding design is discussed.
We propose a new approach called PESA (Prioritized replay Evolutionary and Swarm Algorithms) combining prioritized replay of reinforcement learning with hybrid evolutionary algorithms. PESA hybridizes different evolutionary and swarm algorithms such as particle swarm optimization, evolution strategies, simulated annealing, and differential evolution, with a modular approach to account for other algorithms. PESA hybridizes three algorithms by storing their solutions in a shared replay memory, then applying prioritized replay to redistribute data between the integral algorithms in frequent form based on their fitness and priority values, which significantly enhances sample diversity and algorithm exploration. Additionally, greedy replay is used implicitly to improve PESA exploitation close to the end of evolution. PESA features in balancing exploration and exploitation during search and the parallel computing result in an agnostic excellent performance over a wide range of experiments and problems presented in this work. PESA also shows very good scalability with number of processors in solving an expensive problem of optimizing nuclear fuel in nuclear power plants. PESA's competitive performance and modularity over all experiments allow it to join the family of evolutionary algorithms as a new hybrid algorithm; unleashing the power of parallel computing for expensive optimization.
A spacer grid assembly, which is an interconnected array of slotted grid straps and is welded at the intersections to form an egg crate structure, is one of the main structural components of the nuclear fuel assembly for Pressurized Water Reactors (PWRs). The weld quality of spacer grids in PWRs fuel is extremely important for the fuel assembly performance in the nuclear renter. The spacer grid welds are currently evaluated mainly by the metallographic examination although it reveals only cross-points which are welded by the laser beam. This experiment is also to compare the weldability of Zircaloy-4 spacer grids using by the GTA and LB. The effect of node geometries of spacer grids for the GTAW and LBW has been studied and optimum conditions of spacer grid welding have been found. Microstructures and micro-hardness of the GTA and LB welded zones have been also compared.
In this paper, the mechanical performance of cracked surface-coated Zircaloy cladding, which has different coating materials, coating thicknesses and initial crack lengths, has been investigated. By analyzing the stress field near the crack tip, the safety zone range of initial crack length has been decided. In order to determine whether the crack can propagate along the radial (r) or axial (z) directions, the energy release rate has been calculated. By comparing the energy release rate with fracture toughness of materials, we can divide the initial crack lengths into three zones: safety zone, discussion zone and danger zone. The results show that Cr is suitable coating material for the cladding with a thin coating while Fe-Cr-Al have a better fracture mechanical performance in the cladding with thick coating. The Si-coated and SiC-coated claddings are suitable for reactors with low power fuel elements. Conclusions in this paper can provide reference and guidance for the cladding design of nuclear fuel elements.
Nuclear archaeology research provides scientific methods to reconstruct the operating histories of fissile material production facilities to account for past fissile material production. While it has typically focused on analyzing material in permanent reactor structures, spent fuel or high-level waste also hold information about the reactor operation. In this computational study, we explore a Bayesian inference framework for reconstructing the operational history from measurements of isotope ratios from a sample of nuclear waste. We investigate two different inference models. The first model discriminates between three potential reactors of origin (Magnox, PWR, and PHWR) while simultaneously reconstructing the fuel burnup, time since irradiation, initial enrichment, and average power density. The second model reconstructs the fuel burnup and time since irradiation of two batches of waste in a mixed sample. Each of the models is applied to a set of simulated test data, and the performance is evaluated by comparing the highest posterior density regions to the corresponding parameter values of the test dataset. Both models perform well on the simulated test cases, which highlights the potential of the Bayesian inference framework and opens up avenues for further investigation.
Rodriguez, I. Merino;Hernandez-Solis, A.;Messaoudi, N.;Eynde, G. Van den
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.10
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pp.2274-2284
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2020
The Nuclear Fuel Cycle Code "ANICCA" has been developed by SCK•CEN to answer particular questions about the Belgian nuclear fleet. However, the wide range of capabilities of the code make it also useful for international or regional studies that include advanced technologies and strategies of cycle. This paper shows the main features of the code and the facilities that can be simulated. Additionally, a comparison between several codes and ANICCA has also been made to verify the performance of the code by means of a simulation proposed in the last NEA (OECD) Benchmark Study. Finally, a case study of the Belgian nuclear fuel cycle phase out has been carried out to show the possible impact of the transmutation of the minor actinides on the nuclear waste by the use of an Accelerator Driven System also known as ADS. Results show that ANICCA accomplishes its main purpose of simulating the scenarios giving similar outcomes to other codes. Regarding the case study, results show a reduction of more than 60% of minor actinides in the Belgian nuclear cycle when using an ADS, reducing significantly the radiotoxicity and decay heat of the high-level waste and facilitating its management.
In order to investigate the swelling behavior and fuel-cladding interaction mechanism of U-10Zr alloy metallic fuel at very low burnup, an irradiation experiment was concisely designed and conducted on the China Mianyang Research Reactor. Two types of irradiation samples were designed for studying free swelling without restraint and the fuel-cladding interaction mechanism. A new bonding material, namely, pure aluminum powder, was used to fill the gap between the fuel slug and sample shell for reducing thermal resistance and allowing the expansion of the fuel slug. In this paper, the concise irradiation rig design is introduced, and the neutronic and thermal-hydraulic analyses, which were carried out mainly using MCNP (Monte Carlo N-Particle) and FLUENT codes, are presented. Out-of-pile tests were conducted prior to irradiation to verify the manufacturing quality and hydraulic performance of the rig. Nondestructive postirradiation examinations using cold neutron radiography technology were conducted to check fuel cladding integrity and swelling behavior. The results of the preliminary examinations confirmed the safety and effectiveness of the design.
Outcomes of the project "Comprehensive Verification of the FALCON Code for Calculation of Nuclear Fuel Temperature" relating to calculation of fuel temperature during relatively fast thermal transients are presented. Good prediction capabilities of the FALCON MOD01 code coupled with the GRSW-A code are shown as applied to the data of the TF3 and TF5 tests from the Transient Temperature Experiment IFA-507. The IFA-507 related dataset of the OECD/NEA International Fuel Performance Experiments (IFPE) Database is extended by the reconstructed dynamics of the axial power distribution in the rods during the transient phase of the experiment. Based on the code calculation, the time constant of the thermal fuel response to a power transient is estimated.
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 thermalehydraulic characteristics for the CANadian Deuterium Uranium Flexible (CANFLEX)-burnable poison (BP) fuel channel, which is loaded with a BP at the center ring based on the CANFLEX-RU (recycled uranium) fuel channel, are evaluated and compared with that of standard 37-element and CANFLEX-NU (natural uranium) fuel channels. The distributions of fuel temperature and critical channel power for the CANFLEX-BP fuel channel are calculated using the NUclear Heat Transport CIRcuit Thermohydraulics Analysis Code (NUCIRC) code for various creep rate and burnup. CANFLEX-BP fuel channel has been revealed to have a lower fuel temperature compared with that of a standard 37-element fuel channel, especially for high power channels. The critical channel power of CANFLEX-BP fuel channel has increased by about 10%, relative to that of a standard 37-element fuel channel for 380 channels in a core, and has higher value relative to that of the CANFLEX-NU fuel channel except the channels in the outer core. This study has shown that the use of a BP is feasible to enhance the thermal performance by the axial heat flux distribution, as well as the improvement of the reactor physical safety characteristics, and thus the reactor safety can be improved by the use of BP in a CANDU reactor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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