Magni, A.;Pizzocri, D.;Luzzi, L.;Lainet, M.;Michel, B.
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.7
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pp.2395-2407
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2022
The sodium-cooled fast reactor is among the innovative nuclear technologies selected in the framework of the development of Generation IV concepts, allowing the irradiation of uranium-plutonium mixed oxide fuels (MOX). A fundamental step for the safety assessment of MOX-fuelled pins for fast reactor applications is the evaluation, by means of fuel performance codes, of the integral thermal-mechanical behaviour under irradiation, involving the fission gas behaviour and release in the fuel-cladding gap. This work is dedicated to the performance analysis of an inner-core fuel pin representative of the ASTRID sodium-cooled concept design, selected as case study for the benchmark between the GERMINAL and TRANSURANUS fuel performance codes. The focus is on fission gas-related mechanisms and integral outcomes as predicted by means of the SCIANTIX module (allowing the physics-based treatment of inert gas behaviour and release) coupled to both fuel performance codes. The benchmark activity involves the application of both GERMINAL and TRANSURANUS in their "pre-INSPYRE" versions, i.e., adopting the state-of-the-art recommended correlations available in the codes, compared with the "post-INSPYRE" code results, obtained by implementing novel models for MOX fuel properties and phenomena (SCIANTIX included) developed in the framework of the INSPYRE H2020 Project. The SCIANTIX modelling includes the consideration of burst releases of the fission gas stored at the grain boundaries occurring during power transients of shutdown and start-up, whose effect on a fast reactor fuel concept is analysed. A clear need to further extend and validate the SCIANTIX module for application to fast reactor MOX emerges from this work; nevertheless, the GERMINAL-TRANSURANUS benchmark on the ASTRID case study highlights the achieved code capabilities for fast reactor conditions and paves the way towards the proper application of fuel performance codes to safety evaluations on Generation IV reactor concepts.
A feasibility of reusing option of spent nuclear fuel in a fusion-fission hybrid system without partitioning was checked as an alternative option of pyro-processing with critical reactor system. Neutronic study was performed with MCNP 6.1 for this option, direct reuse of spent PWR fuel (DRUP). Various options with DRUP fuel were compared with the reference design concept; transmutation purpose blanket with (U-TRU)Zr fuel loading connected with pyro-processing. Performance parameters to be compared are transmutation performance of transuranic (TRU) nuclides, required fusion power and tritium breeding ratio (TBR). When blanket part is loaded only with DRUP, initial $k_{eff}$ level becomes too low to maintain a practical subcritical system, increasing the required fusion power. In this case, production rate of TRU nuclides exceeds the incineration rate. Design optimization is done for combining DRUP fuel with (U-TRU)Zr fuel. Reactivity swing is reduced to about 2447 pcm through fissile breeding compared to (U-TRU)Zr fuel option. Therefore, a required fusion power is reduced and tritium breeding performance is improved. However, transmutation performance with TRU nuclides especially $^{241}Am$ is degraded because of softening effect of spectrum. It is known that partitioning and transmutation should be accompanied with fusion-fission hybrid system for the effective transmutation of TRU.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1998.05a
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pp.52-57
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1998
In this paper, we performed a design study of a thorium fueled reactor according to the design concept of the Radkowsky Thorium Reactor (RTR) and evaluated its overall performance. To enhance its performance and alleviate its problems, we introduced a new metallic uranium fuel, uranium-zirconium hydride (U-Zr $H_{1.6}$), as a seed fuel. For comparison, typical ABB/CE-type PWR based on SYSTBM 80+ and standard RTR-type thorium reactor were also studied. From the results of performance analysis, we could ascertain advantages of RTR-type thorium fueled reactor in proliferation resistance, fuel cycle economics, and back-end fuel cycle. Also, we found that enhancement of proliferation resistance and safer operating conditions may be achieved by using the U-Zr $H_{l.6}$ fuel in the seed region without additional penalties in comparison with the standard RTR's U-Zr fuelr fuelel
Ondrej Novak;Pavel Suk;Dusan Kobylka;Martin Sevecek
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.9
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pp.3464-3471
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2023
The Uranium/Molybdenum metallic fuel has been proposed as promising advanced fuel concept especially in the dispersed fuel geometry. The fuel is manufactured in the form of small fuel droplets (particles) placed in a fuel pin covered by a matrix. In addition to fuel particles, the pin contains voids necessary to compensate material swelling and release of fission gases from the fuel particles. When investigating this advanced fuel design, two important questions were raised. Can the dispersed fuel performance be analyzed using homogenization without significant inaccuracy and what size of fuel drops should be used for the fuel design to achieve optimal utilization? To answer, 2D burnup calculations of fuel assemblies with different fuel particle sizes were performed. The analysis was supported by an additional 3D fuel pin calculation with the dispersed fuel particle size variations. The results show a significant difference in the multiplication factor between the homogenized calculation and the detailed calculation with precise fuel particle geometry. The recommended fuel particle size depends on the final burnup to be achieved. As shown in the results, for lower burnup levels, larger fuel drops offer better multiplication factor. However, when higher burnup levels are required, then smaller fuel drops perform better.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.41
no.2
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pp.149-156
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2017
Nuclear fuel requires high reliability and safety and therefore contains debris filtering devices to prevent failure-inducing debris from entering it. The debris filtering performance of nuclear fuel is one of the most important factors for fuel integrity. Therefore, the performance must be evaluated and the measurement must be reasonable. In this study, a calculation method of the comprehensive filtering efficiency using the weighted mean was proposed to establish a standard filtering efficiency index. To confirm the suitability of the proposed method, representative debris specimens were selected and the filtering efficiency with the weighted mean was compared with the efficiency of the arithmetic mean. The weighting factor of the weighted mean was introduced to produce a fair evaluation. In addition, the analysis of the debris filtering mechanism was performed according to the size of debris specimens, and the main dimensions of the filtering feature for commercial nuclear fuel.
G. Zullo;D. Pizzocri;A. Magni;P. Van Uffelen;A. Schubert;L. Luzzi
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.12
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pp.4460-4473
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2022
The behaviour of the fission gas plays an important role in the fuel rod performance. In a previous work, we presented a physics-based model describing intra- and inter-granular behaviour of radioactive fission gas. The model was implemented in SCIANTIX, a mesoscale module for fission gas behaviour, and assessed against the CONTACT 1 irradiation experiment. In this work, we present the multi-scale coupling between the TRANSURANUS fuel performance code and SCIANTIX, used as mechanistic module for stable and radioactive fission gas behaviour. We exploit the coupled code version to reproduce two integral irradiation experiments involving standard fuel rod segments in steady-state operation (CONTACT 1) and during successive power transients (HATAC C2). The simulation results demonstrate the predictive capabilities of the code coupling and contribute to the integral validation of the models implemented in SCIANTIX.
Jin Haeng Lee;Yeong-Garp Cho;Hyokwang Lee;Chang-Gyu Park;Jong-Myeong Oh;Yeon-Sik Yoo;Min-Gu Won;Hyung Huh
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.12
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pp.4477-4490
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2023
Fuel locking mechanisms (FLMs) are essential in upward-flow research reactors to prevent accidental fuel separation from the core during reactor operation. This study presents a novel design concept for a remotely controlled plate-type nuclear fuel locking mechanism. By employing electromagnetic field analysis, we optimized the design of the electromagnet for fuel unlocking, allowing the FLM to adapt to various research reactor core designs, minimizing installation space, and reducing maintenance efforts. Computational flow analysis quantified the drag acting on the fuel assembly caused by coolant upflow. Subsequently, we performed finite element analysis and evaluated the structural integrity of the FLM based on the ASME boiler and pressure vessel (B&PV) code, considering design loads such as dead weight and flow drag. Our findings confirm that the new FLM design provides sufficient margins to withstand the specified loads. We fabricated a prototype comprising the driving part, a simplified moving part, and a dummy fuel assembly. Through basic operational tests on the assembled components, we verified that the manufactured products meet the performance requirements. This remote-controlled micro locking mechanism holds promise in enhancing the safety and efficiency of plate-type nuclear fuel operation in upflow research reactors.
The LWR fuel performance analysis computer code, FRAPCON-1, are evaluated to investigate the performance of CANDU fuel elements loaded in Wolsung-1 reactor. The FRAPCON-1 models of neutron flux depression in fuel and of fuel-to-cladding heat transfer are modified, and the validity of fission gas release model for CANDU fuel is evaluated. And the heavy water properties are provided in calculating the heat transfer coefficient between cladding and coolant. By using the modified code, FRAPCON-1-CSK, the sensitivity studies are carried out for Wolsung-1 fuel element design parameters. The performance analysis is also performed for Wolsung-l fuel elements. The calculated results are discussed in terms of. LWR fuel design criteria because of unavailability of CANDU fuel design criteria.
Hakim, Arief Rahman;Harto, Andang Widi;Agung, Alexander
Nuclear Engineering and Technology
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v.51
no.1
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pp.1-12
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2019
One of proposed Accident Tolerant Fuel (ATF) concept is fully ceramic micro-encapsulated fuel (FCMF). FCMF using uranium mononitride (UN) has better safety aspects than $UO_2$ pellet fuel although it might not have a better neutronic performance due to the presence of matrix and high neutron-induced interaction of $^{14}N$. Before implementing UN-FCMF technology in Small-PWR, further research must be taken place to make sure the proposed design of fuel assembly has inherent safety features and maintain the fuel performance. This study focusses on the neutronic analysis of UN-FCMF based fuel assembly using Serpent and SCALE codes. It is shown in the proposed fuel assembly design has inherent safety features with respect to the fuel temperature reactivity coefficient, void reactivity coefficient, and moderator temperature reactivity coefficient. It is noted that the use of FCMF leads to a lower ratio of burnup to $^{235}U$ enrichment ratio compared to the $UO_2/Zr$ fuel.
Byungkuk Lee ;Seungchul Yang;Dongyong Kwak ;Hyunkwang Jo ;Youngwoo Lee;Youngmoon Bae ;Jayhyung Lee
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.6
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pp.2206-2214
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2023
The existing wet reconversion processes for the recovery of scraps generated in manufacturing of nuclear fuel are complex and require several unit operation steps. In this study, it is attempted to simplify the recovery process of high-quality fuel-grade UO2 powder. A novel wet reconversion process for uranyl nitrate hexahydrate solution is suggested by using a newly developed pulsed fluidized bed reactor, and the resultant chemical characteristics are evaluated for the intermediate ammonium uranate hydrate product and subsequently converted UO2 powder, as well as the compliance with nuclear fuel specifications and advantages over existing wet processes. The UO2 powder obtained by the suggested process improved fuel pellet properties compared to those derived from the existing wet conversion processes. Powder performance tests revealed that the produced UO2 powder satisfies all specifications required for fuel pellets, including the sintered density, increase in re-sintered density, and grain size. Therefore, the processes described herein can aid realizing a simplified manufacturing process for nuclear-grade UO2 powders that can be used for nuclear power generation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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