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 Consequently, control rods are deeply inserted at beginning and are withdrawn gradually to compensate for large burnup reactivity loss in a long lifetime.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.
Goricanec, Tanja;Stancar, Ziga;Kotnik, Domen;Snoj, Luka;Kromar, Marjan
Nuclear Engineering and Technology
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제53권11호
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pp.3528-3542
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2021
A detailed geometrical model of a Krško reactor core was developed using a Monte Carlo neutron transport code MCNP. The main goal of developing an MCNP core model is for it to be used in future research focused on ex-core calculations. A script called McCord was developed to generate MCNP input for an arbitrary fuel cycle configuration from the diffusion based core design package CORD-2, taking advantage of already available material and temperature data obtained in the nuclear core design process. The core model was used to calculate 3D power density profile inside the core. The applicability of the calculated power density distributions was tested by comparison to the CORD-2 calculations, which is regularly used for the nuclear core design calculation verification of the Krško core. For the hot zero power and hot full power states differences between MCNP and CORD-2 in the radial power density profile were <3%. When studying axial power density profiles the differences in axial offset were less than 2.3% for hot full power condition. To further confirm the applicability of the developed model, the measurements with in-core neutron detectors were compared to the calculations, where differences of 5% were observed.
Because of prohibitive data storage requirements in large-scale simulations, the memory problem is an obstacle for Monte Carlo (MC) codes in accomplishing pin-wise three-dimensional (3D) full-core calculations, particularly for whole-core depletion analyses. Various kinds of data are evaluated and quantificational total memory requirements are analyzed based on the Reactor Monte Carlo (RMC) code, showing that tally data, material data, and isotope densities in depletion are three major parts of memory storage. The domain decomposition method is investigated as a means of saving memory, by dividing spatial geometry into domains that are simulated separately by parallel processors. For the validity of particle tracking during transport simulations, particles need to be communicated between domains. In consideration of efficiency, an asynchronous particle communication algorithm is designed and implemented. Furthermore, we couple the domain decomposition method with MC burnup process, under a strategy of utilizing consistent domain partition in both transport and depletion modules. A numerical test of 3D full-core burnup calculations is carried out, indicating that the RMC code, with the domain decomposition method, is capable of pin-wise full-core burnup calculations with millions of depletion regions.
Scattering resonance of medium mass nuclides leads complex spectrum in the fast reactor, which requires thousands of energy groups in the spectrum calculation. When the broad-group cross sections are collapsed, reaction rate cannot be completely conserved. To eliminate the error from energy collapsing, the Super-homogenization method in energy collapsing (ESPH) was employed in the fast reactor code SARAX. An ESPH factor was derived based on the ESPH-corrected SN transport equation. By applying the factor in problems with reflective boundary condition, both the effective multiplication factor and reaction rate were conserved. The fixed-source iteration was used to ensure the stability of ESPH iteration. However, in the energy collapsing process of SARAX, the vacuum boundary condition was adopted, which was necessary for fast reactors with strong heterogeneity. To further reduce the error caused by leakage, an additional conservation factor was proposed to correct the neutron current in energy collapsing. To evaluate the performance of ESPH with conservation factor, numerical benchmarks of fast reactors were calculated. The results of broad-group calculation agreed well with the direct full-core Monte-Carlo calculation, including the effective multiplication factor, radial power distribution, total control rod worth and sodium void worth.
System Complexity one of the most common cause failure of the projects, it leads to a lack of understanding about the functions of the system. Hence, the model is developed for communication and furthermore modeling help analysis, design, and understanding of the system. On the other hand, the text-based specification is useful and easy to develop but is difficult to visualize the physical composition, structure, and behaviour or data exchange of the system. Therefore, it is necessary to transform system description into a diagram which clearly depicts the behaviour of the system as well as the interaction between components. According to the International Atomic Energy Agency (IAEA) Safety Glossary, The safety system is a system important to safety, provided to ensure the safe shutdown of the reactor or the residual heat removal from the reactor core, or to limit the consequences of anticipated operational occurrences and design basis accidents. Core Protection Calculator System (CPCS) in Advanced Power Reactor 1400 (APR 1400) Nuclear Power Plant is a safety critical system. CPCS was developed using systems engineering method focusing on Departure from Nuclear Boiling Ratio (DNBR) calculation. Due to the complexity of the system, many diagrams are needed to minimize the risk of ambiguities and lack of understanding. Using Model-Based Systems Engineering (MBSE) software for modeling the DNBR algorithm were used. These diagrams then serve as the baseline of the reverse engineering process and speeding up the development process. In addition, the use of MBSE ensures that any additional information obtained from auxiliary sources can then be input into the system model, ensuring data consistency.
Increasing the operation cycle length can be an important goal in the fuel reload design of a nuclear reactor core. In this research paper, a new optimization approach, electromagnetism mechanism (EM), is applied to the fuel arrangement design of the Bushehr WWER-1000 core. For this purpose, a neutronic solver has been developed for calculating the required parameters during the reload cycle of the reactor. In this package, two modules have been linked, including PARCS v2.7 and WIMS-5B codes, integrated in a solver for using in the fuel arrangement optimization operation. The first results of the prepared package, along with the cycle for the original pattern of Bushehr WWER-1000, are compared and verified according to the Final Safety Analysis Report and then the results of exploited EM linked with Purdue Advanced Reactor Core Simulator (PARCS) and Winfrith Improved Multigroup Scheme (WIMS) codes are reported for the loading pattern optimization. Totally, the numerical results of our loading pattern optimization indicate the power of the EM for this problem and also show the effective improvement of desired parameters for the gained semi-optimized core pattern in comparison to the designer scheme.
In this paper, the seismic analysis modeling technologies for sodium-cooled fast reactor (SFR) are presented with detailed descriptions for each structure, system and component (SSC) model. The complicated reactor system of pool type SFR, which is composed of the reactor vessel, internal structures, intermediate heat exchangers, primary pumps, core assemblies, and core support structures, is mathematically described with simple stick models which can represent fundamental frequencies of SSC. To do this, detailed finite element analyses were carried out to identify fundamental beam frequencies with consideration of fluid added mass effects caused by primary sodium coolant contained in the reactor vessel. The calculation of fluid added masses is performed by detailed finite element analyses using FAMD computer program and the results are discussed in terms of the ways to be considered in a seismic modeling. Based on the results of seismic time history analyses for both seismic isolation and non-isolation design, the functional requirements for relative deflections are discussed, and the design floor response spectra are proposed that can be used for subsystem seismic design.
A parametric study bas been performed for the various refueling schemes of CANDU 6 reactor loaded with reference DUPIC fuel. The optimum discharge burnup was determined such that the peak bundle power is minimized for the equilibrium core. Based on the results of instantaneous core calculation using patterned random age distributions, it was decided to perform the refueling simulations only for 2-bundle and 4-bundle shift refueling schemes. The 600 FPD simulation has shown that the operational margins of the channel and bundle power to the license limits are 7.9% and 17.1%, respectively, for 2-bundle shift refueling scheme. The 4-bundle shift refueling scheme also satisfies the license limits and the operational margins of the channel and bundle power are 7.1% and 9.8%, respectively. The result of refueling simulation indicate the possibility of using reference DUPIC fuel in current CANDU 6 reactor.
This paper presents the verification and validation (V&V) of the STREAM/RAST-K 2.0 code system for a pressurized water reactor (PWR) analysis. A lattice physics code STREAM and a nodal diffusion code RAST-K 2.0 have been developed by a computational reactor physics and experiment laboratory (CORE) of Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) for an accurate two-step PWR analysis. The calculation modules of each code were already verified against various benchmark problems, whereas this paper focuses on the V&V of linked code system. Three PWR type reactor cores, OPR-1000, three-loop Westinghouse reactor core, and APR-1400, are selected as V&V target plants. This code system, for verification, is compared against the conventional code systems used for the calculations in nuclear design reports (NDRs) and validated against measured plant data. Compared parameters are as follows: critical boron concentration (CBC), axial shape index (ASI), assembly-wise power distribution, burnup distribution and peaking factors. STREAM/RAST-K 2.0 shows the RMS error of critical boron concentration within 20 ppm, and the RMS error of assembly power within 1.34% for all the cycles of all reactors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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