The small modular liquid-metal fast reactor (SMFR) is an important component of advanced nuclear systems. SMFRs exhibit relatively low breeding capability and constraint space for control rod installation. Consequently, control rods are deeply inserted at beginning and are withdrawn gradually to compensate for large burnup reactivity loss in a long lifetime. This paper is committed to investigating the impact of control rod compensation operation on core neutronics characteristics. This paper presents a whole core fine depletion model of long lifetime SMFR using OpenMC and the influence of depletion chains is verified. Three control rod position schemes to simulate the compensation process are compared. The results show that the fine simulation of the control rod compensation process impacts significantly the fuel burnup distribution and absorber consumption. A control rod equivalent position scheme proposed in this work is an optimal option in the trade-off between computation time and accuracy. The control position is crucial for accurate power distribution and void feedback coefficients in SMFRs. The results in this paper also show that the pin level power distribution is important due to the heterogeneous distribution in SMFRs. The fuel burnup distribution at the end of core life impacts the worth of control rods.
Zhigang Li;Junjie Pan;Bangyang Xia;Shenglong Qiang;Wei Lu;Qing Li
Nuclear Engineering and Technology
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제55권9호
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pp.3213-3228
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2023
As an important part of the digital reactor, the pin-by-pin wise fine coupling calculation is a research hotspot in the field of nuclear engineering in recent years. It provides more precise and realistic simulation results for reactor design, operation and safety evaluation. CORCA-K a nodal code is redeveloped as a robust pin-by-pin wise neutronics and thermal-hydraulic coupled calculation code for pressurized water reactor (PWR) core. The nodal green's function method (NGFM) is used to solve the three-dimensional space-time neutron dynamics equation, and the single-phase single channel model and one-dimensional heat conduction model are used to solve the fluid field and fuel temperature field. The mesh scale of reactor core simulation is raised from the nodal-wise to the pin-wise. It is verified by two benchmarks: NEACRP 3D PWR and PWR MOX/UO2. The results show that: 1) the pin-by-pin wise coupling calculation system has good accuracy and can accurately simulate the key parameters in steady-state and transient coupling conditions, which is in good agreement with the reference results; 2) Compared with the nodal-wise coupling calculation, the pin-by-pin wise coupling calculation improves the fuel peak temperature, the range of power distribution is expanded, and the lower limit is reduced more.
In this study, impacts of an enhanced-moderation Fuel Assembly (FA) named Truly Optimized PWR (TOP) lattice, which is modified based on the standard 17 × 17 PWR FA, are investigated in a natural circulation Soluble-Boron-Free (SBF) Small Modular Reactor (SMR). Two different TOP lattice designs are considered for the analysis; one is with 1.26 cm pin pitch and 0.38 cm fuel pellet radius, and the other is with 1.40 cm pin pitch and 0.41 cm fuel pellet radius. The NuScale core design is utilized as the base model and assumed to be successfully converted to an SBF core. The analysis is performed following the primary coolant circulation loop, and the reactor is modelled as a single channel for thermal-hydraulic analyses. It is assumed that the ratio of the core pressure drop to the total system pressure drop is around 0.3. The results showed that the reactor power could be increased by 2.5% and 9.8% utilizing 1.26/0.38 cm and 1.40/0.41 cm TOP designs, respectively, under the identical coolant inlet and outlet temperatures as the constraints.
Hao Qian;Guangliang Chen;Lei Li;Lixuan Zhang;Xinli Yin;Hanqi Zhang;Shaomin Su
Nuclear Engineering and Technology
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제56권5호
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pp.1687-1697
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2024
This study presents the Supporting platform for reactor fine flow characteristics calculation and analysis (Cilian platform), a user-friendly tool that supports the analysis and optimization of pressurized water reactor (PWR) cores with mixing vanes using computational fluid dynamics (CFD) computing. The Cilian platform allows for easy creation and optimization of PWR's main CFD calculation schemes and autonomously manages CFD calculation and analysis of PWR cores, reducing the need for human and computational resources. The platform's key features enable efficient simulation, rapid solution design, automatic calculation of core scheme options, and streamlined data extraction and processing techniques. The Cilian platform's capability to call external CFD software reduces the development time and cost while improving the accuracy and reliability of the results. In conclusion, the Cilian platform exemplifies an innovative solution for efficient computational fluid dynamics analysis of pressurized water reactor (PWR) cores. It holds great promise for driving advancements in nuclear power technology, enhancing the safety, efficiency, and cost-effectiveness of nuclear reactors. The platform adopts a modular design methodology, enabling the swift and accurate computation and analysis of diverse flow regions within core components. This design approach facilitates the seamless integration of multiple computational modules across various reactor types, providing a high degree of flexibility and reusability.
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.
In this study, in order to examine the applicability of computational fluid dynamics with the porous model to the analysis of APR+ (Advanced Power Reactor Plus) internal flow, simulation was conducted with the commercial multi-purpose computational fluid dynamics software, ANSYS CFX V.14. In addition, among the various reactor internals, the effect of flow skirt geometry on reactor internal flow was investigated. It was concluded that the porous model for some reactor internal structures could adequately predict the hydraulic characteristics inside the reactor in a qualitative manner. If sufficient computation resource is available, the predicted core inlet flow distribution is expected to be more accurate, by considering the real geometry of the internal structures, especially located in the upstream of the core inlet. Finally, depending on the shape of the flow skirt, the flow distribution was somewhat different locally. The standard deviation of the mass flow rate (${\sigma}$) for the original shape of flow skirt was smaller, than that for the modified shape of flow skirt. This means that the original shape of the flow skirt may give a more uniform distribution of mass flow rate at the core inlet plane, which may be more desirable for the core cooling.
An advanced Research Reactor (ARR) consists of an open-tank-type reactor assembly within a light water pool and generates thermal power of 20 MW. The thermal power is including a fission heat in the core, a fuel generated heat temporary stored in the pool, a circulating pumps generated heat and a neutron reflecting heat in the reflector vessel of the reactor. In order to remove the heat load, the primary cooling system will be installed. In this study, the conceptual design of the primary cooling system has been carried out using a design methodology of HANARO within a permissible range of safety. As results, it has been established that the conceptual design of the primary cooling system including design requirements, performance requirements, design restrictions, system descriptions and system operation to maintain the system functions.
This paper presents the vibration characteristics of reactor internals of Ulchin-1 nuclear power plant, which are identified by using the conventional and the phase separated spectral analysis of the pressure vessel acceleration and ex-core neutron signals. These identified vibration characteristics show excellent agreement with those of Tricastin-1 nuclear power plant that is the prototype of Ulchin-1. And the trend of ex-core neutron signals has been observed during one reactor cycle. These results can be used as basic data for fault diagnosis of reactor internals.
In this work, Esfahan light water subcritical reactor (ELWSCR) is analysed using experimental and theoretical diagnostic methods. Important neutronic parameters of the system such as prompt neutron lifetime, delayed neutron fraction, prompt neutron decay constant, negative reactivity of the core, fuel and moderator temperature coefficient of reactivity, and overall and local void coefficient of reactivity are estimated. Also, neutron flux distribution, reflector saving, water level effect, and lattice pitch of the core including operating point of the facility are studied in details. Theoretical results are calculated by MCNPX and measurements are performed utilizing zero power reactor noise method. Detailed descriptions of the results are explained in the text.
Numerous advanced reactor concepts have been proposed to replace light water reactors ever since their establishment as the dominant technology for nuclear energy production. While most designs seek to improve cost competitiveness and safety, the implausibility of doing so with affordable materials or existing nuclear fuel infrastructure reduces the possibility of near-term deployment, especially in developing countries. The organic nuclear concept, first explored in the 1950s, offers an attractive alternative to advanced reactor designs being considered. The advent of high temperature fluids, along with advances in hydrocracking and reforming technologies driven by the oil and gas industries, make the organic concept even more viable today. We present a simple, cost-effective, and safe small modular nuclear reactor for offshore underwater deployment. The core is moderated by graphite, zirconium hydride, and organic fluid while cooled by the organic fluid. The organic coolant enables operation near atmospheric pressure and use of plain carbon steel for the reactor tank and primary coolant piping system. The core is designed to mitigate the coolant degradation seen in early organic reactors. Overall, the design provides a power density of 40 kW/L, while reducing the reactor hull size by 40% compared with a pressurized water reactor while significantly reducing capital plant costs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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