In this work, we propose a new mechanistic model for the treatment of helium behaviour at the grain boundaries in oxide nuclear fuel. The model provides a rate-theory description of helium inter-granular behaviour, considering diffusion towards grain edges, trapping in lenticular bubbles, and thermal resolution. It is paired with a rate-theory description of helium intra-granular behaviour that includes diffusion towards grain boundaries, trapping in spherical bubbles, and thermal re-solution. The proposed model has been implemented in the meso-scale software designed for coupling with fuel performance codes SCIANTIX. It is validated against thermal desorption experiments performed on doped UO2 samples annealed at different temperatures. The overall agreement of the new model with the experimental data is improved, both in terms of integral helium release and of the helium release rate. By considering the contribution of helium at the grain boundaries in the new model, it is possible to represent the kinetics of helium release rate at high temperature. Given the uncertainties involved in the initial conditions for the inter-granular part of the model and the uncertainties associated to some model parameters for which limited lower-length scale information is available, such as the helium diffusivity at the grain boundaries, the results are complemented by a dedicated uncertainty analysis. This assessment demonstrates that the initial conditions, chosen in a reasonable range, have limited impact on the results, and confirms that it is possible to achieve satisfying results using sound values for the uncertain physical parameters.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1999.10a
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pp.248.1-248
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1999
Preliminary analysis of in-reactor thermal performance of three MOX fuel rods, which are going to be irradiated in the Halden reactor beginning in the first Quarter of the year 2000 under the framework of the OECD Halden Reactor Programme, have been conducted by using the computer code COSMOS to ensure their safe operation. Parametric studies have been carried out to investigate the effect of uncertainties on in-reactor behavior by considering the four kinds of uncertainties; thermal conductivity, linear power, manufacturing parameters, and model constants. The analysis shows that, in the case of annular MOX -1 fuel, calculation results for thermal performance vary widely depending on the selection of model constants for fission gas release (FGR). On the contrary, the thermal performance of solid MOX - 3 fuel does not depend on the choice of FGR constants to a large extent as MOX-I, because the fuel temperature is very high in the MOX-3 irrespective of the choice of FGR constants and hence the capacity of grain boundaries to retain gas atoms is not large enough to accommodate the number of gas atoms reaching the grain boundaries. It is planned that when the data on microstructure and thermal conductivity for each type of MOX fuel are available, new analysis will be made using these information. In addition, FGR model constants will be derived from the measured fuel centerline temperature, rod internal pressure and other related data.
Kwon, Hyoung-Mun;Lee, Dong-Uk;Lee, Byung-Oon;Kim, Young ll;Kim, Yong-Soo
Nuclear Engineering and Technology
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v.35
no.2
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pp.144-153
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2003
The object of this paper is the probabilistic failure analysis on the cladding performance of WPF(Whole Pin Furnace) test fuel pins under transient conditions, and analysis of the KALIMER fuel pin using the preceding analysis. The cumulative damage estimation and Weibull probability estimation of WPF test are performed. The probabilistic method was adapted for these analyses to determine the effective thickness thinning due to eutectic penetration depth. In the results, it is difficult to assume that a brittle layer depth made by eutectic reaction is all of the thickness reduction due to cladding thinning. About 93% cladding thinning of the eutectic penetration depth is favorable as an effective thickness of cladding. And the unreliability of the KALIMER driver fuel pin under the same WPF test condition is lower than that of the WPF pin because of the higher plenum-fuel volume ratio and lower cladding inner radius vs. thickness ratio. KALIMER fuel pin developed from conceptual design has a more stable transient performance for a failure mechanism due to fission gas buildup than the WPF pin.
Recently, many utilities have considered interim dry storage of spent nuclear fuel as an option for increasing spent fuel storage capacity. Foreign nuclear regulatory committees have provided some regulatory and licensing requirements for relatively low- and medium-burned spent fuel with respect to the prevention of spent fuel degradation during transportation and interim dry storage. In the present study, the effect of cladding creep and hydride distribution on spent fuel degradation is reviewed and performance tests with high-burned Zircaloy-4 and advanced Zr alloy spent fuel are proposed to investigate the effect of burnup and cladding materials on the current regulatory and licensing requirements. Creep tests were also performed to investigate the effect of temperature and tensile hoop stress on hydride reorientation and subsequently to examine the temperature and stress limits against cladding material failure. It is found that the spent fuel failure is mainly caused by cladding creep rupture combined with mechanical strength degradation and hydride reorientation. Hydride reorientation from the circumferential to radial direction may reduce the critical stress intensity that accelerates radial crack propagation. The results of cladding creep tests at $400^{\circ}C$ and 130MPa hoop stress performed in this study indicate that hydride reorientation may occur between 2.6% to 7.0% strain in tube diameter with a hydrogen content range of 40-120ppm. Therefore, it is concluded that hydride re-orientation behaviour is strongly correlated with the cladding creep-induced strain, which varies as functions of temperature and stress acting on the cladding.
For the analysis of a dry process fuel cycle, new modules were implemented into the fuel cycle analysis code DYMOND, which was developed by the Argonne National Laboratory. The modifications were made to the energy demand prediction model, a Canada deuterium uranium (CANDU) reactor, direct use of spent pressurized water reactor (PWR) fuel in CANDU reactors (DUPIC) fuel cycle model, the fuel cycle calculation module, and the input/output modules. The performance of the modified DYMOND code was assessed for the postulated once-through fuel cycle models including both the PWR and CANDU reactor. This paper presents modifications of the DYMOND code and the results of sample calculations for the PWR once-though and DUPIC fuel cycles.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1999.10a
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pp.247-247
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1999
This paper describes a new mechanistic thermal conductivity model considering the heterogeneous microstructure of MOX fuel. Even though the thermal conductivities of MOX have been investigated numerously by experimental measurements and theoretical analyses, they show the large scattering making the performance analysis of MOX fuel difficult. Therefore, a thermal conductivity model that depends on the heterogeneous microstructure of MOX fuel has been developed by using a general two-phase thermal conductivity model. In order to apply this model for developing the thermal conductivity for heterogeneous MOX fuel, the fuel is assumed to consist of Purich particles and U02 matrix including Pu02 in solid solution. Since little relevant data on Purich particles is available, FIGARO and SiemensKWU results are only used to characterize the microstructure of unirradiated and irradiated fuel. Philliponneaus and HALDEN models are selected for the local thermal conductivities for Purich particles and matrix, respectively. Then by combining the two models, overall thermal conductivity of MOX fuel is obtained. The new proposed model estimates the MOX thermal conductivity about 10% less than the value of U02 fuel, which is in the range of MOX thermal conductivity from HALDEN. The developed thermal conductivity model has been incorporated into KAERIs fuel performance code, COSMOS, and then verified using the measured data in the FIGARO program. Comparison of predicted and measured temperatures shows the reasonable agreement within acceptable error bounds together with satisfactory results for the fission gas release and gap pressure.essure.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.28
no.5
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pp.186-194
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2016
As a turbulence-enhancing device, a mixing vane installed at a spacer grid of the fuel assembly plays a role in improving the convective heat transfer by generating either swirl flow in the subchannels or cross flow between fuel rod gaps. Therefore, both configuration and arrangement pattern of a mixing vane are important factors that determine the performance of a mixing vane. In this study, in order to examine the flow distribution features inside $5{\times}5$ fuel assembly with swirl-type mixing vanes used in benchmark calculation of OECD/NEA, simulations were conducted with commercial CFD software ANSYS CFX R.14. Predicted results were compared to data measured from MATiS-H (Measurement and Analysis of Turbulent Mixing in Subchannels-Horizontal) test facility. In addition, the effect of swirl-type mixing vanes on flow pattern inside the fuel assembly was described.
Husam Khalefih;Taesuk Oh;Yunseok Jeong;Yonghee Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.7
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pp.2578-2590
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2023
In this work, a 24-month two-batch fuel management strategy for the APR1400 using LEU + has been investigated, where enrichments of 5.9 and 5.2 w/o are utilized in lieu of the conventional 4-5 w/o UO2 fuel. In addition, an Accident Tolerant Fuel (ATF) clad based on the swaging technology is applied to APR1400 fuel assemblies. In this special ATF clad design, both outer and inner SS316 layers protect the conventional zircaloy clad. Erbia (Er2O3) is introduced as a burnable absorber with two-fold goals to lower the critical boron concentration in the long-cycle LEU + loaded core as well as to handle the LEU + fuel in the existing front-end fuel facilities without renewing the license. Two types of fuel assemblies with different loading of gadolinia (Gd2O3) are considered to control both the reactivity and the core radial power distribution. The erbia burnable absorber is uniformly admixed with UO2 in all fuel pins except for the gadolinia-bearing ones. In this study, two core designs were devised with different erbia loading, and core performance and safety parameters were evaluated for each case in comparison with a core design without any burnable absorbers. The core analysis was done using the two-step method. First, cross-sections are generated by the SERPENT 2 Monte Carlo code, and the 3-D neutronic analysis is performed with an in-house multi-physics nodal code KANT.
The paper briefs a fuel performance code, COSMOS, which can be utilized for an analysis of the thermal behavior and fission gas release of fuel, up to a high burnup. Of particular concern are the models for the fuel thermal conductivity, the fission gas release, and the cladding corrosion and creep in $UO_2$ fuel. In addition, the code was developed so as to consider the inhomogeneity of MOX fuel, which requires restructuring the thermal conductivity and fission gas release models. These improvements enhanced COSMOS's precision for predicting the in-pile behavior of MOX fuel. The COSMOS code also extends its applicability to the instrumented fuel test in a research reactor. The various in-pile test results were analyzed and compared with the code's prediction. The database consists of the $UO_2$ irradiation test up to an ultra-high burnup, power ramp test of MOX fuel, and instrumented MOX fuel test in a research reactor after base irradiation in a commercial reactor. The comparisons demonstrated that the COSMOS code predicted the in-pile behaviors well, such as the fuel temperature, rod internal pressure, fission gas release, and cladding properties of MOX and $UO_2$ fuel. This sufficient accuracy reveals that the COSMOS can be utilized by both fuel vendors for fuel design, and license organizations for an understanding of fuel in-pile behaviors.
Accident-tolerant fuels (ATFs) are currently of high interest to researchers in the nuclear industry and in governmental and international organizations. One widely studied accident-tolerant fuel concept is multilayer cladding (also known as coated cladding). This concept is based on a traditional Zr-based alloy (Zircaloy-4, M5, E110, ZIRLO etc.) serving as a substrate. Different protective materials are applied to the substrate surface by various techniques, thus enhancing the accident tolerance of the fuel. This study focuses on the results of testing of Zircaloy-4 coated with pure chromium metal using the cold spray (CS) technique. In comparison with other deposition methods, e.g., Physical vapor deposition (PVD), laser coating, or Chemical vapor deposition techniques (CVD), the CS technique is more cost efficient due to lower energy consumption and high deposition rates, making it more suitable for industry-scale production. The Cr-coated samples were tested at different conditions ($500^{\circ}C$ steam, $1200^{\circ}C$ steam, and Pressurized water reactor (PWR) pressurization test) and were precharacterized and postcharacterized by various techniques, such as scanning electron microscopy, Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), or nanoindentation; results are discussed. Results of the steady-state fuel performance simulations using the Bison code predicted the concept's feasibility. It is concluded that CS Cr coating has high potential benefits but requires further optimization and out-of-pile and in-pile testing.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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