These experimental studies are carried out to build a database for analyzing fuel performance in nuclear power plants. In particular, this study focuses on the mechanical and irradiation properties of three kinds of zirconium alloy (Alloy A, Alloy B and Alloy C) irradiated in the HANARO (High-flux Advanced Neutron Application Reactor), one of the leading multipurpose research reactors in the world. Yield strength and ultimate tensile strength were measured to determine the mechanical properties before and after irradiation, while irradiation growth was measured for the irradiation properties. The samples for irradiation testing are classified by texture. For the irradiation condition, all samples were wrapped into the capsule (07M-13N) and irradiated in the HANARO for about 100 days (E > 1.0 MeV, $1.1{\times}10^{21}\;n/cm^2$). These tests and results indicate that the mechanical properties of zirconium alloys are similar whether unirradiated or irradiated. Alloy B has shown the highest yield strength and tensile strength properties compared to other alloys in irradiated condition. Even though each of the zirconium alloys has a different alloying content, this content does not seem to affect the mechanical properties under an unirradiated condition and low fluence. And all the alloys have shown the tendency to increase in yield strength and ultimate tensile strength. Transverse specimens of each of the zirconium alloys have a slightly lower irradiation growth tendency than longitudinal specimens. However, for clear analysis of texture effects, further testing under higher irradiation conditions is needed.
Kim, Hyun-Gil;Park, Jeong-Yong;Jeong, Yong-Hwan;Koo, Yang-Hyun;Yoo, Jong-Sung;Mok, Yong-Kyoon;Kim, Yoon-Ho;Suh, Jung-Min
Nuclear Engineering and Technology
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v.46
no.3
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pp.423-430
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2014
An in-pile performance test of HANA claddings was conducted at up to 67 GWD/MTU in the Halden research reactor in Norway over a 6.5 year period. Four types of HANA claddings (HANA-3, HANA-4, HANA-5, and HANA-6) and a reference Zircaloy-4 cladding were used for the in-pile test. The evaluation parameters of the HANA claddings were the corrosion behavior, dimensional changes, hydrogen uptake, and tensile strength after the claddings were tested under the simulated operation conditions of a Korean commercial reactor. The oxide thickness ranged from 15 to 37 mm at a high flux region in the test rods, and all HANA claddings showed corrosion resistance superior to the Zircaloy-4 cladding. The creep-down rate of all HANA claddings was lower than that of the Zircaloy-4 cladding. In addition, the hydrogen content of the HANA claddings ranged from 54 to 96 wppm at the high heat flux region of the test rods, whereas the hydrogen content of the Zircaloy-4 cladding was 119 wppm. The tensile strength of the HANA and Zircaloy-4 claddings was similarly increased when compared to the un-irradiated claddings owing to the radiation-induced hardening.
The development of soluble boron-free (SBF) operation in the innovative Small Modular Reactor (i-SMR) requires effective strategies for managing excess reactivity over extended operational cycles. This paper introduces a practical approach to reactor core design for SBF operation in i-SMR, emphasizing the use of gadolinia burnable absorbers (BA). The study investigates the feasibility of Highly Intensive and Discrete Gadolinia/Alumina Burnable Absorber (HIGA) rods for controlling excess reactivity sustainably. Through comprehensive analysis and simulations, the reactivity behavior with varying quantities of HIGA rods is examined, leading to the development of optimized fuel assembly designs. Furthermore, the integration of HIGA rods with integral gadolinia BA rods is discussed to enhance reactivity control and operational flexibility further. This approach utilizes the spatial self-shielding effect of gadolinia for extended reactivity management, crucial for stable and efficient reactor performance. The paper thoroughly addresses core design considerations, including fuel assembly configurations and control rod patterns, to ensure safety and performance in initial and reload cycles. This research advances the development of SBF operation in i-SMR by offering practical reactivity management solutions.
High bum-up fuel technology has been developed through a national R&D program, which covers key technology areas such as claddings, $UO_2$ pellets, spacer grids, performance code, and fuel assembly tests. New cladding alloys were developed through alloy designs, tube fabrication, out-of-pile test and in-reactor test. The new Zr-Nb tubes are found to be much better in their corrosion resistance and creep strength than the Zircaloy-4 tube, owing to an optimized composition and heat treatment of the new Zr-Nb alloys. A new fabrication technology for large grain $UO_2$ pellets was developed using various uranium oxide seeds and a micro-doping of Al. The uranium oxide seeds, which were added to $UO_2$ powder, were prepared by oxidizing and heat-treating scrap $UO_2$ pellets. A $UO_2$ pellet containing tungsten channels was fabricated for a thermal conductivity enhancement. For the fuel performance analysis, new high burnup models were developed and implemented in a code. This code was verified by an international database and our own database. The developed spacer grid has two features of contoured contact spring and hybrid mixing vanes. Mechanical and hydraulic tests showed that the spacer grid is superior in its rodsupporting, wear resistance and CHF performance. Finally, fuel assembly test technology was also developed. Facilities for mechanical and thermal hydraulic tests were constructed and are now in operation. Several achievements are to be utilized soon by the Korea Nuclear Fuel and thereby contribute to the economy and safety of PWR fuel in Korea
For the continuous operation of a nuclear reactor, burnt fuel needs to be replaced with fresh fuel, where appropriate (ex-vessel) fuel handling is required. Particularly for the Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) refueling, its process has unique challenges due to liquid sodium coolant. The ex-vessel spent fuel transportation should concern several design features such as the radiation shielding, decay-heat removal, and inert space separated from air. This paper proposes a new design optimization methodology of cask shielding to transport the spent fuel assembly in a prototype SFR for the first time. The Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm had been applied to design trade-offs between shielding and cask weight. The cask is designed as a double-cylinder structure to block an inert sodium region from the air-cooling space. The PSO process yielded the optimum shielding thickness of 26 cm, considering the weight as well. To confirm the shielding performance, the radiation dose of spent fuel removed at its peak burnup and after 1-year cooling was calculated. Two different fuel positions located during transportation were also investigated to consider a functional disorder in a cask drive system. This study concludes the current cask design in normal operations is satisfactory in accordance with regulatory rules.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.19
no.2
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pp.69-74
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2023
The paper presents the results investigating the effect of aircraft engine impact location on the intended function evaluation results of spent nuclear fuel transport cask. As a result of the investigation, it is found that the structural integrity is maintained as the maximum accumulated equivalent plastic strain is below the acceptable criterion regardless of the collision location. It is identified that when the aircraft engine collided with the upper part of the transport cask without considering impact limiter the containment performance is weakened compared to when the aircraft engine collided with the central part.
In the core of the WWR-K reactor, a long-term irradiation of tristructural isotopic (TRISO)-coated fuel particles (CFPs) with a UO2 kernel was carried out under high-temperature gas-cooled reactor (HTGR)-like operating conditions. The temperature of this TRISO fuel during irradiation varied in the range of 950-1100 ℃. A fission per initial metal atom (FIMA) of uranium burnup of 9.9% was reached. The release of gaseous fission products was measured in-pile. The release-to-birth ratio (R/B) for the fission product isotopes was calculated. Aspects of fuel safety while achieving deep fuel burnup are important and relevant, including maintaining the integrity of the fuel coatings. The main mechanisms of fuel failure are kernel migration, silicon carbide corrosion by palladium, and gas pressure increase inside the CFP. The formation of gaseous fission products and carbon monoxide leads to an increase in the internal pressure in the CFP, which is a dominant failure mechanism of the coatings under this level of burnup. Irradiated fuel compacts were subjected to electric dissociation to isolate the CFPs from the fuel compacts. In addition, nondestructive methods, such as X-ray radiography and gamma spectrometry, were used. The predicted R/B ratio was evaluated using the fission gas release model developed in the high-temperature test reactor (HTTR) project. In the model, both the through-coatings of failed CFPs and as-fabricated uranium contamination were assumed to be sources of the fission gas. The obtained R/B ratio for gaseous fission products allows the finalization and validation of the model for the release of fission products from the CFPs and fuel compacts. The success of the integrity of TRISO fuel irradiated at approximately 9.9% FIMA was demonstrated. A low fuel failure fraction and R/B ratios indicated good performance and reliability of the studied TRISO fuel.
Byung-Ho Lee;Yang-Hyun Koo;Jin-Silk Cheon;Je-Yong Oh;Hyung-Koo Joo;Dong-Seong Sohn
Nuclear Engineering and Technology
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v.34
no.5
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pp.482-493
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2002
The MOX fuel for LWR is fabricated either by direct mechanical blending of UO$_2$ and PuO$_2$ or by two stage mixing. Hence Pu-rich particles, whose Pu concentrations are higher than pellet average one and whose size distribution depends on a specific fabrication method, are inevitably dispersed in MOX pellet. Due to the inhomogeneous microstructure of MOX fuel, the thermal conductivity of LWR MOX fuel scatters from 80 to 100 % of UO$_2$ fuel. This paper describes a mechanistic thermal conductivity model for MOX fuel by considering this inhomogeneous microstructure and presents an explanation for the wide scattering of measured MOX fuel's thermal conductivity. The developed model has been incorporated into a KAERI's fuel performance code, COSMOS, and then evaluated using the measured in-pile data for MOX fuel. The database used for verification consists of homogeneous MOX fuel at beginning-of-life and inhomogeneous MOX fuel at high turnup. The COSMOS code predicts the thermal behavior of MOX fuel well except for the irradiation test accompanying substantial fission gas release. The over-prediction with substantial fission gas release seems to suggest the need for the introduction of a recovery factor to a term that considers the burnup effect on thermal conductivity.
A model to predict failure of designed-to-fail (dtf) fuel particles is discussed. The dtf fuel under study consisted of a uranium oxycarbide kernel coated with a single pyrocarbon seal coat. Coating failure was assumed to be due to fission gas recoil and knockout mechanisms and direct diffusive release of fission gas from the kernel, which acted to increase pressure and stress in the pyrocarbon layer until it ruptured. Predictions of dtf fuel failure using General Atomics' particle fuel performance code for HRB-17/18 and HFR-B1 irradiation tests were reasonably accurate; however, the model could not predict the failure for COMEDIE BD-1. This was most likely due to insufficient information on reported particle fuel failure at the beginning.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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