Increasing proliferation resistance of plutonium by way of increased $^{238}Pu$ content is of interest to the nuclear nonproliferation and international safeguards community. Considering the high alpha decay heat of $^{238}Pu$, increasing the isotopic fraction leads to a noticeably higher amount of heat generation within the plutonium. High heat generation is especially unattractive in the scenario of weaponization. Upon weaponization of the plutonium, the plutonium may generate enough heat to elevate the temperature in the high explosives to above its self-explosion temperature, rendering the weapon useless. In addition, elevated temperatures will cause thermal expansion in the components of a nuclear explosive device that may produce thermal stresses high enough to produce failure in the materials, reducing the effectiveness of the weapon. Understanding the technical limit of $^{238}Pu$ required to reduce the possibility of weaponization is key to reducing the current limit on safeguarded plutonium (greater than 80 at. % $^{238}Pu$). The plutonium vector evaluated in this study was found by simulating public information on Lightbridge's fuel design for pressurized water reactors. This study explores the temperature profile and maximum stress within a simple (first generation design) hypothetical nuclear explosive device of four unique scenarios over time. Analyzing the transient development of both the temperature profile and maximum stress not only establishes a technical limit on the $^{238}Pu$ content, but also establishes a time limit for which each scenario would be useable.
Since the first nuclear reactor first critical, nuclear systems has gone through four generations of history, and the fourth generation nuclear system will be truly realized in the near future. The notions of SVBR and lead-bismuth eutectic alloy coolant put forward by Russia were well received by the international nuclear science community. Lead-bismuth eutectic alloy with the ability of the better neutron economy, the low melting point, the high boiling point, the chemical inertness to water and air and other features, which was considered the most promising coolant for the 4th generation nuclear reactors. This study mainly focuses on the structural design optimization of the 4th-generation reactor coolant pump, including analysis of external characteristics, inner flow, and transient characteristic. It was found that: the reactor coolant pump with a central symmetrical dual-outlet volute structure has better radial-direction balance, the pump without guide vane has better hydraulic performance, and the pump with guide vanes has worse torsional vibration and pressure pulsation. This study serves as experience accumulation and technical support for the development of the 4th generation nuclear energy system.
The measurement and calculation of neutronic parameters in nuclear research reactors has an important influence on control and safety of the nuclear reactor. The power peaking factors, reactivity coefficients and kinetic parameters are the most important neutronic parameter for determining the state of the reactor. The position of the control shim safety rods in the core configuration affects these parameters. The main purpose of this work is to use the MTR_PC package to evaluate the effect of the partially insertion of the control rod on the neutronic parameters at the operating core of the Tehran Research Reactor. The simulation results show that by increasing the insertion of control rods (bank) in the core, the absolute values of power peaking factor, reactivity coefficients and effective delayed neutron fraction increased and only prompt neutron life time decreased. In addition, the results show that the changes of moderator temperature coefficients value versus the control rods positions are very significant. The average value of moderator temperature coefficients increase about 98% in the range of 0-70% insertion of control rods.
Basit, Muhammad Abdul;Tian, Wenxi;Chen, Ronghua;Basit, Romana;Qiu, Suizheng;Su, Guanghui
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.6
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pp.1810-1820
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2021
Study of single bubble behavior under rolling motions can prove useful for fundamental understanding of flow field inside the modern small modular nuclear reactors. The objective of the present study is to simulate the influence of rolling conditions on single rising bubble in a liquid using multiphase Moving Particle Semi-implicit (MPS) method. Rolling force term was added to 2D Navier-Stokes equations and a computer program was written using C language employing OpenACC to port the code to GPU. Computational results obtained were found to be in good agreement with the results available in literature. The impact of rolling parameters on trajectory and velocity of the rising bubble has been studied. It has been found that bubble rise velocity increases with rolling amplitude due to modification of flow field around the bubble. It has also been concluded that the oscillations of free surface, caused by rolling, influence the bubble trajectory. Furthermore, it has been discovered that smaller vessel width reduces the impact of rolling motions on the rising bubble. The effect of liquid viscosity on bubble rising under rolling was also investigated and it was found that effects of rolling became more pronounced with the increase of liquid viscosity.
High-fidelity nuclear data libraries and neutronics simulation tools are essential for the development of fast reactors. The IAEA coordinated research project on "Neutronics Benchmark of CEFR Start-Up Tests" offers valuable data for the qualification of nuclear data libraries and neutronics codes. This paper focuses on the verification and validation of the CEFR start-up modelling using OpenMC Monte-Carlo code against the experimental measurements. The OpenMC simulation results agree well with the measurements in criticality, control rod worth, sodium void reactivity, temperature reactivity, subassembly swap reactivity, and reaction distribution. In feedback coefficient evaluations, an additional state method shows high consistency with lower uncertainty. Among 122 relative errors in the benchmark of the distribution of nuclear reaction, 104 errors are less than 10% and 84 errors are less than 5%. The results demonstrate the high reliability of OpenMC for its application in fast reactor simulations. In the companion paper, the influence of cross-section libraries is investigated using neutronics modelling in this paper.
In nuclear-related facilities, such as nuclear power plants, research reactors, accelerators, and nuclear waste storage sites, radiation detection, and mapping are required to prevent radiation overexposure. Sensor network systems consisting of radiation sensor interfaces and wxireless communication units have become promising tools that can be used for data collection of radiation detection that can in turn be used to draw a radiation map. During data collection, malfunctions in some of the sensors can occasionally occur due to radiation effects, physical damage, network defects, sensor loss, or other reasons. This paper proposes a reproduction strategy for radiation maps using a U-net model to compensate for the loss of radiation detection data. To perform machine learning and verification, 1,561 simulations and 417 measured data of a sensor network were performed. The reproduction results show an accuracy of over 90%. The proposed strategy can offer an effective method that can be used to resolve the data loss problem for conventional sensor network systems and will specifically contribute to making initial responses with preserved data and without the high cost of radiation leak accidents at nuclear facilities.
M. Lovecky;J. Zavorka;J. Jirickova;Z. Ondracek;R. Skoda
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.6
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pp.2288-2297
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2023
Current designs of both large reactor units and small modular reactors utilize a nuclear fuel with increasing enrichment. This increasing demand for better nuclear fuel utilization is a challenge for nuclear fuel handling facilities. The operation with higher enriched fuels leads to reduced reserves to legislative and safety criticality limits of spent fuel transport, storage and final disposal facilities. Design changes in these facilities are restricted due to a boron content in steel and aluminum alloys that are limited by rolling, extrusion, welding and other manufacturing processes. One possible solution for spent fuel pools and casks is the burnup credit method that allows decreasing very high safety margins associated with the fresh fuel assumption in spent fuel facilities. This solution can be supplemented or replaced by an alternative solution based on placing the neutron absorber material directly into the fuel assembly, where its efficiency is higher than between fuel assemblies. A neutron absorber permanently fixed in guide tubes decreases system reactivity more efficiently than absorber sheets between the fuel assemblies. The paper summarizes possibilities of fixed neutron absorbers for various nuclear fuel and fuel handling facilities. Moreover, an absorber material was optimized to propose alternative options to boron. Multiple effective absorbers that do not require steel or aluminum alloy compatibility are discussed because fixed absorbers are placed inside zirconium or steel cladding.
Hong June Park;Sun Young Chang;Kyung Su Kim;Pascal Claude Leverd;Joo Hyun Moon;Jong-Il Yun
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.21
no.4
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pp.571-576
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2023
The initial development plans for the six reactor designs, soon after the release of Generation IV International Forum (GIF) TRM in 2002, were characterized by high ambition [1]. Specifically, the sodium-cooled fast reactor (SFR) and very-high temperature reactor (VHTR) gained significant attention and were expected to reach the validation stage by the 2020s, with commercial viability projected for the 2030s. However, these projections have been unrealized because of various factors. The development of reactor designs by the GIF was supposed to be influenced by events such as the 2008 global financial crisis, 2011 Fukushima accident [2, 3], discovery of extensive shale oil reserves in the United States, and overly ambitious technological targets. Consequently, the momentum for VHTR development reduced significantly. In this context, the aims of this study were to compare and analyze the development progress of the six Gen IV reactor designs over the past 20 years, based on the GIF roadmaps published in 2002 and 2014. The primary focus was to examine the prospects for the reactor designs in relation to spent nuclear fuel burning in conjunction with small modular reactor (SMR), including molten salt reactor (MSR), which is expected to have spent nuclear fuel management potential.
Hyo Jun An;Jae Hyung Park;Chang Hyun Song;Jeong Ik Lee;Yonghee Kim;Sung Joong Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.3
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pp.949-958
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2024
In contrast to all-time flooded small modular reactor (SMR) systems, an in-kind flooding safety system (FSS) has been proposed as a passive safety system applicable to small modular reactors (SMRs) that adopt a metal containment vessel (MCV). Under transient conditions, the FSS can provide emergency cooling to dry reactor cavities and sustain long-term coolability using re-acquired evaporated steam in the reactor building on demand. When designing an FSS, the effect of the flooding flow area is vital as it affects the overall accident sequence and safety. Therefore, in this study, a MELCOR model of a reference SMR is developed and numerical analysis is performed under postulated accident scenarios. Without flooding, the MCV pressure of the reactor module exceeds the design pressure before core damage. To prevent core damage, an emergency flooding strategy is devised using various flow path parameters and requirements to ensure an adequate emergency coolant supply before the core damage is investigated. The results indicate that a flow area exceeding 0.02 m2 is required in the FSS to prevent MCV overpressure and core damage. This study is the first to report a strategic analysis for appropriately sizing an FSS flooding valve applicable to innovative SMRs.
Cables are indispensable in nuclear power plants for transmitting data measured by various types of detectors, such as self-powered neutron detectors (SPNDs). These cables will generate disturbing signals that must be accurately distinguished and eliminated. Given that the cable current is not very significant, previous research has focused on SPND, with little attention paid to cable evaluation and validation. This paper specifically focuses on the quantitative analysis of cables and proposes a theoretical model to predict cable noise. In this model, the reaction characteristics between irradiated neutrons and cables were discussed thoroughly. Based on the Monte Carlo method, a comprehensive simulation approach of neutron sensitivity was introduced and long-term irradiation experiments in a heavy water reactor (HWR) were designed to verify this model. The theoretical results of this method agree quite well with the experimental measurements, proving that the model is reliable and exhibits excellent accuracy. The experimental data also show that the cable current accounts for approximately 0.2% of the total current at the initial moment, but as the detector gradually depletes, it will contribute more than 2%, making it a non-negligible proportion of the total signal current.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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