In order to evaluate the start-up behavior and to identify, through abnormal operation occurrences, the transient behaviors of the Sulfur Iodine(SI) process, which is a nuclear hydrogen process that is coupled to a Very High Temperature Gas Cooled Reactor (VHTR) through an Intermediate Heat Exchanger (IHX), a dynamic simulation of the process is necessary. Perturbation of the flow rate or temperature in the inlet streams may result in various transient states. An understanding of the dynamic behavior due to these factors is able to support the conceptual design of the secondary helium loop system associated with a hydrogen production plant. Based on the mass and energy balance sheets of an electrodialysis-embedded SI process equivalent to a 200 $MW_{th}$ VHTR and a considerable thermal pathway between the SI process and the VHTR system, a dynamic simulation of the SI process was carried out for a sulfuric acid decomposition process (Second Section) that is composed of a sulfuric acid vaporizer, a sulfuric acid decomposer, and a sulfur trioxide decomposer. The dynamic behaviors of these integrated reactors according to several anticipated scenarios are evaluated and the dominant and mild factors are observed. As for the results of the simulation, all the reactors in the sulfuric acid decomposition process approach a steady state at the same time. Temperature control of the inlet helium is strictly required rather than the flow rate control of the inlet helium to keep the steady state condition in the Second Section. On the other hand, it was revealed that the changes of the inlet helium operation conditions make a great impact on the performances of $SO_3$ and $H_2SO_4$ decomposers, but no effect on the performance of the $H_2SO_4$ vaporizer.
In the high-temperature and high-pressure irradiation environments, the multi-field coupling processes of hydrogen diffusion, hydride precipitation and mechanical deformation in Zircaloy cladding tubes occur. To simulate this hydrogen-induced complex behavior, a multi-field coupling method is developed, with the irradiation hardening effects and hydride-precipitation-induced expansion and hardening effects involved in the mechanical constitutive relation. The out-pile tests for a cracked cladding tube after irradiation are simulated, and the numerical results of the multi-fields at different temperatures are obtained and analyzed. The results indicate that: (1) the hydrostatic stress gradient is the fundamental factor to activate the hydrogen-induced multi-field coupling behavior excluding the temperature gradient; (2) in the local crack-tip region, hydrides will precipitate faster at the considered higher temperatures, which can be fundamentally attributed to the sensitivity of TSSP and hydrogen diffusion coefficient to temperature. The mechanism is partly explained for the enlarged velocity values of delayed hydride cracking (DHC) at high temperatures before crack arrest. This work lays a foundation for the future research on DHC.
Pumping performance of large cryosorption pumps of different types installed on the 60 $m^3$ test stand for developing and testing ion sources and beam line components of the NBI system was investigated. Hydrogen adsorption and desorption characteristics of the cryosorption panels were analyzed using the temporal change of the hydrogen spectrum obtained with short introduction of the hydrogen gas as cooling the panel, and simulations on the mutual influence between related parameters were also carried out.
The deuterium uptake behavior of Zr-2.5Nb pressure tubes in Wolsong Unit 1 was analyzed in terms of longitudinal location, operation time, and coolant temperature. The results were compared with those obtained from Canadian CANDU reactors. The amount of deuterium uptake was higher at the outlet part than at the inlet part and was also higher when subjected to a longer operation time and a higher coolant temperature. The hydrogen uptake of Zr-2.5Nb in a hydrogen gas atmosphere was dependent on the microstructure of the alloy. The aged Zr-2.5Nb consisting of $\alpha$-Zr and $\beta$-Nb phases showed higher hydrogen uptake than that consisting of $\alpha$-Zr and $\beta$-Zr phases. The hydrogen in the alloy decreased the rate of oxidation. This could be explained in terms of the cathodic controlled reaction of Zr-2.5Nb oxidation.
A nuclear fusion fuel cycle plant is composed of various subsystems such as a hydrogen isotope storage and delivery system, a tokamak exhaust processing system, and a hydrogen isotope separation system. Korea shares in the construction of its ITER fuel cycle plant with the EU, Japan, and the US, and is responsible for the development and supply of the storage and delivery system. The authors thus present details on the development status of hydrogen isotope storage technologies for nuclear fusion fuel cycle plants. We have developed various hydride beds of different size. We have realized a hydrogen delivery rate of 12.5 $Pam^3/s$ with a typical 1242g-ZrCo bed.
The feasibility of not employing recombiners rather using the postaccident Purge system alone to control hydrogen concentration in the containment following a LOCA, is analyzed in this paper. For this study, the hydrogen concentration in the containment, hydrogen removal through the purge system, and additional off-site dose due to hydrogen purge were calculated. The economic justification of a hydrogen recombiner system (2 recombiners) was also investigated by using the cost benefit concept. As a result, the purge system is sufficient to maintain the hydrogen concentration at a safe level without hydrogen recombiners, and it meets the dose limit requirements set forth in 10 CFR part 100. A hydrogen recombiner system would be justified based on cost-benefit concept for common use in a site with 4 units or more.
To investigate the effect of hydrogen and oxygen contents on hydride reorientations during cool-down processes, zirconium-niobium cladding tube specimens were hydrogen-charged before some specimens were oxidized, resulting in 250 ppm and 500 ppm hydrogen-charged specimens containing no oxide and an oxide thickness of $0.38{\mu}m$ at each surface. The nonoxidized and oxidized hydrogen-charged specimens were heated up to $400^{\circ}C$ and then cooled down to room temperature at cooling rates of $0.3^{\circ}C/min$ and $8.0^{\circ}C/min$ under a tensile hoop stress of 150 MPa. The lower hydrogen contents and the slower cooling rate generated a larger fraction of radial hydrides, a longer radial hydride length, and a lower ultimate tensile strength and plastic elongation. In addition, the oxidized specimens generated a smaller fraction of radial hydrides and a lower ultimate tensile strength and plastic elongation than the nonoxidized specimens. This may be due to: a solubility difference between room temperature and $400^{\circ}C$; an oxygen-induced increase in hydrogen solubility and radial hydride nucleation energy; high temperature residence time during the cool-down; or undissolved circumferential hydrides at $400^{\circ}C$.
Thermochemical cycles have been predominantly used for energy transformation from heat to stored chemical free energy in the form of hydrogen. The thermochemical cycle based on uranium (UTC), proposed by Oak Ridge National Laboratory, has been considered as a better alternative compared to other thermochemical cycles mainly due to its safety and high efficiency. UTC process includes three steps, in which only the first step is unique. Hydrogen production apparatus with hectogram reactants was designed in this study. The results showed that high yield hydrogen was obtained, which was determined by drainage method. The results also indicated that the chemical conversion rate of hydrogen production was in direct proportion to the mass of $Na_2CO_3$, while the solid product was $Na_2UO_4$, instead of $Na_2U_2O_7$. Nevertheless the thermochemical cycle used for hydrogen generation can be closed, and chemical compounds used in these processes can also be recycled. So the cycle with $Na_2UO_4$ as its first reaction product has an advantage over the proposed UTC process, attributed to the fast reaction rate and high hydrogen yield in the first reaction step.
In a secondary cooling system of a sodium-cooled fast reactor (SFR), rapid detection of hydrogen due to sodium-water reaction (SWR) caused by water leakage from a heat exchanger tube of a steam generator (SG) is important in terms of safety and property protection of the SFR. For hydrogen detection, the hydrogen detectors using atomic transmission phenomenon of hydrogen within Ni-membrane were used in Japanese proto-type SFR "Monju". However, during the plant operation, detection signals of water leakage were observed even in the situation without SWR concerning temperature up and down in the cooling system. For this reason, the study of a new hydrogen detector has been carried out to improve stability, accuracy and reliability. In this research, the authors focus on the difference in composition of hydrogen and the difference between the background hydrogen under normal plant operation and the one generated by SWR and theoretically estimate the hydrogen behavior in liquid sodium by using ultra-accelerated quantum chemical molecular dynamics (UA-QCMD). Based on the estimation, dissolved H or NaH, rather than molecular hydrogen (H2), is the predominant form of the background hydrogen in liquid sodium in terms of energetical stability. On the other hand, it was found that hydrogen molecules produced by the sodium-water reaction can exist stably as a form of a fine bubble concerning some confinement mechanism such as a NaH layer on their surface. At the same time, we observed experimentally that the fine H2 bubbles exist stably in the liquid sodium, longer than previously expected. This paper describes the comparison between the theoretical estimation and experimental results based on hydrogen form in sodium in the development of the new hydrogen detector in Japan.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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