Due to excess reactivity, fresh nuclear fuel often contains burnable poisons. This research looks at six different burnable poisons and their impacts on reactivity, material attractiveness, and waste management. An MCNP simulation of a PWR fuel pin was performed with a fuel burnup of 60 GWd/MTHM to determine when each burnable poison fuel type would decrease below a k∞ of 1. For determining the plutonium material attractiveness in each burnable poison fuel type, the plutonium isotopic content of the used fuel was evaluated using Bathke's Figure of Merit formula. For the waste management analysis, the thermal output of each burnable poison fuel type was determined through ORIGEN decay simulations at 100 and 300 years after being discharged from the core. The performance of all six burnable poisons varied over the three criteria considered and no single burnable poison performed best in all three considerations.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.7
no.3
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pp.54-60
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2011
A spacer grid, which supports nuclear fuel rods laterally and vertically with a friction grip, is one of the most important structural components in a PWR fuel. The form of grid strap and supporting parts such as grid spring and dimple is known to be closely related with the mechanical/structural performance of spacer grid and nuclear fuel assembly. In this study, reviewing various research results for enhancing the performance of the spacer grid, some structural design considerations and research directions on the spacer grid assembly are suggested for further study.
Dual-cooled annular fuel allows a significant increase in power density while maintaining or improving safety margins. However, the dual-cooled design brings much higher Zircaloy charge in reactor core, which could cause a great threaten of hydrogen explosion during severe accidents. Hence, an innovative fuel combined dual-cooled annular geometry and SiC cladding was proposed for the first time in this study. Capabilities of fuel design and behavior simulation were developed for this new fuel by the upgrade of FROBA-ANNULAR code. Considering characteristics of both SiC cladding and dual-cooled annular geometry, the basic fuel design was proposed and preliminary proved to be feasible. After that, a design optimization study was conducted, and the optimal values of as-fabricated plenum pressure and gas gap sizes were obtained. Finally, the performance simulation of the new fuel was carried out with the full consideration of realistic operation conditions. Results indicate that in addition to possessing advantages of both dual-cooled annular fuel and accident tolerant cladding at the same time, this innovative fuel could overcome the brittle failure issue of SiC induced by pellet-cladding interaction.
Luzzi, L.;Barani, T.;Boer, B.;Cognini, L.;Nevo, A. Del;Lainet, M.;Lemehov, S.;Magni, A.;Marelle, V.;Michel, B.;Pizzocri, D.;Schubert, A.;Uffelen, P. Van;Bertolus, M.
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.10
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pp.3367-3378
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2021
The design phase and safety assessment of Generation IV liquid metal-cooled fast reactors calls for the improvement of fuel pin performance codes, in particular the enhancement of their predictive capabilities towards uranium-plutonium mixed oxide fuels and stainless-steel cladding under irradiation in fast reactor environments. To this end, the current capabilities of fuel performance codes must be critically assessed against experimental data from available irradiation experiments. This work is devoted to the assessment of three European fuel performance codes, namely GERMINAL, MACROS and TRANSURANUS, against the irradiation of two fuel pins selected from the SUPERFACT-1 experimental campaign. The pins are characterized by a low enrichment (~ 2 wt.%) of minor actinides (neptunium and americium) in the fuel, and by plutonium content and cladding material in line with design choices envisaged for liquid metal-cooled Generation IV reactor fuels. The predictions of the codes are compared to several experimental measurements, allowing the identification of the current code capabilities in predicting fuel restructuring, cladding deformation, redistribution of actinides and volatile fission products. The integral assessment against experimental data is complemented by a code-to-code benchmark focused on the evolution of quantities of engineering interest over time. The benchmark analysis points out the differences in the code predictions of fuel central temperature, fuel-cladding gap width, cladding outer radius, pin internal pressure and fission gas release and suggests potential modelling development paths towards an improved description of the fuel pin behaviour in fast reactor irradiation conditions.
Van Uffelen, P.;Pastore, G.;Di Marcello, V.;Luzzi, L.
Nuclear Engineering and Technology
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v.43
no.6
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pp.477-488
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2011
A formulation is proposed for modelling the process of intra-granular diffusion of fission gas during irradiation of $UO_2$ under both normal operating conditions and power transients. The concept represents a simple extension of the formulation of Speight, including an estimation of the contribution of bubble motion to fission gas diffusion. The resulting equation is formally identical to the diffusion equation adopted in most models that are based on the formulation of Speight, therefore retaining the advantages in terms of simplicity of the mathematical-numerical treatment and allowing application in integral fuel performance codes. The development of the new model proposed here relies on results obtained by means of molecular dynamics simulations as well as finite element computations. The formulation is proposed for incorporation in the TRANSURANUS fuel performance code.
The need for extended storage of used nuclear fuel is increasing globally as disposition schedules for used fuel are pushed further into the future. This is creating a situation where dry storage of used fuel may need to be extended beyond normal regulatory licensing periods. While it is generally accepted that used fuel in dry storage will remain in a safe condition, there is little data that demonstrate used fuel performance in dry storage environments for long periods of time. This is especially true for high burnup used fuel. This paper discusses a technical approach that defines a process that develops the technical basis for demonstrating the safety of used fuel over extended periods of time.
FRAPCON-3.4a and FRAPTRAN 1.4 are the most recent versions of the U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC) steady-state and transient fuel performance codes, respectively. These codes have been assessed against separate effects data and integral assessment data and have been determined to provide a best estimate calculation of fuel performance. Recent updates included in FRAPCON-3.4a include updated material properties models, models for new fuel and cladding types, cladding finite element analysis capability, and capability to perform uncertainty analyses and calculate upper tolerance limits for important outputs. Recent updates included in FRAPTRAN 1.4 include: material properties models that are consistent with FRAPCON-3.4a, cladding failure models that are applicable for loss-of coolant-accident and reactivity initiated accident modeling, and updated heat transfer models. This paper briefly describes these code updates and data assessments, highlighting the particularly important improvements and data assessments. This paper also discusses areas of improvements that will be addressed in upcoming code versions.
Scolaro, A.;Van Uffelen, P.;Fiorina, C.;Schubert, A.;Clifford, I.;Pautz, A.
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.5
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pp.1602-1611
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2021
A varying degree of eccentricity always exists in the initial configuration of a nuclear fuel rod. Its impact on traditional LWR fuel is limited as the radial gap closes relatively early during irradiation. However, the effect of misalignment is expected to be more relevant in rods with highly conductive fuels, large initial gaps and low conductivity filling gases. In this paper, we study similar characteristics in the experimental setup of two fuel disc irradiation campaigns carried out in the OECD Halden Boiling Water Reactor. Using the multi-dimensional fuel performance code OFFBEAT, we combine 2-D axisymmetric and 3-D simulations to investigate the effect of eccentricity on the fuel temperature distribution. At the same time, we illustrate how the advent of modern tools with multi-dimensional capabilities might further improve the design and interpretation of in-pile separate-effect tests and we outline the potential of such an analysis for upcoming experiments.
Marc Lainet;Lelio Luzzi;Alessio Magni;Davide Pizzocri;Martina Di Gennaro;Paul Van Uffelen;Arndt Schubert;Elio D'Agata;Vincenzo Romanello;Andrei Rineiski;Karl Sturm;Sander Van Til;Florence Charpin;Alexander Fedorov
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.11
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pp.4734-4747
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2024
The SPHERE experiment aimed at studying the behaviour of Minor Actinide-bearing Driver Fuel (U,Pu,Am)O2-x by comparing sphere-packed and pelletized fuels. The irradiation experiment was performed in the High Flux Reactor at Petten from August 2013 to April 2015, and was followed by post-irradiation examinations up to mid-2017. The present work consists in a new analysis of the SPHERE experiment, focusing on the pelletized fuel, by the means of both neutronics and fuel performance codes. This study is performed in the frame of the European Project PATRICIA. The adopted methodology and the main results achieved, assessed in particular against inert gas-related experimental data, are presented in the paper.
The Accident Tolerant Fuel (ATF) is a new concept of fuel, which can not only withstand the consequences of the accident for a longer time, but also maintain or improve the performance under operating conditions. ISAA is a self-developed severe accident analysis code, which uses modular structures to simulate the development processes of severe accidents in nuclear plants. The basic version of ISAA is developed based on UO2-Zr fuel. To study the potential safety gain of ATF cladding, an improved version of ISAA, referred to as ISAA-ATF, is introduced to analyze the station blackout accident of PWR using ATF cladding. The results show that ATF cladding enable the core to maintain a longer time compared to zirconium alloy cladding, thereby enhancing the accident mitigation capability. Meanwhile, the generation of hydrogen is significantly reduced and delayed, which proves that ATF can improve the safety characteristics of the nuclear reactor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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