Osborn, Jeremy M.;Glennon, Kevin J.;Kitcher, Evans D.;Burns, Jonathan D.;Folden, Charles M. III;Chirayath, Sunil S.
Nuclear Engineering and Technology
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제51권2호
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pp.384-393
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2019
An experimental validation of a nuclear forensics methodology for the source reactor-type discrimination of separated weapons-useable plutonium is presented. The methodology uses measured values of intra-element isotope ratios of plutonium and fission product contaminants. MCNP radiation transport codes were used for various reactor core modeling and fuel burnup simulations. A reactor-dependent library of intra-element isotope ratio values as a function of burnup and time since irradiation was created from the simulation results. The experimental validation of the methodology was achieved by performing two low-burnup experimental irradiations, resulting in distinct fuel samples containing sub-milligram quantities of weapons-useable plutonium. The irradiated samples were subjected to gamma and mass spectrometry to measure several intra-element isotope ratios. For each reactor in the library, a maximum likelihood calculation was utilized to compare the measured and simulated intra-element isotope ratio values, producing a likelihood value which is proportional to the probability of observing the measured ratio values, given a particular reactor in the library. The measured intra-element isotope ratio values of both irradiated samples and its comparison with the simulation predictions using maximum likelihood analyses are presented. The analyses validate the nuclear forensics methodology developed.
As a valid numerical method to obtain a high-resolution result of a flow field, computational fluid dynamics (CFD) have been widely used to study coolant flow and heat transfer characteristics in fuel rod bundles. However, the time-consuming, iterative calculation of Navier-Stokes equations makes CFD unsuitable for the scenarios that require efficient simulation such as sensitivity analysis and uncertainty quantification. To solve this problem, a reduced-order model (ROM) based on proper orthogonal decomposition (POD) and machine learning (ML) is proposed to simulate the flow field efficiently. Firstly, a validated CFD model to output the flow field data set of the rod bundle is established. Secondly, based on the POD method, the modes and corresponding coefficients of the flow field were extracted. Then, an deep feed-forward neural network, due to its efficiency in approximating arbitrary functions and its ability to handle high-dimensional and strong nonlinear problems, is selected to build a model that maps the non-linear relationship between the mode coefficients and the boundary conditions. A trained surrogate model for modes coefficients prediction is obtained after a certain number of training iterations. Finally, the flow field is reconstructed by combining the product of the POD basis and coefficients. Based on the test dataset, an evaluation of the ROM is carried out. The evaluation results show that the proposed POD-ROM accurately describe the flow status of the fluid field in rod bundles with high resolution in only a few milliseconds.
A methodology for evaluation of mechanical and thermal effects of localized non-axisymmetric oxidation in zircaloy claddings on LWR fuel reliability is proposed. To this end, the basic capabilities of the FALCON fuel behaviour code are used. Examples of methodology application to adjustment of selected operational limits for modern BWR fuel rods, to capture effects of the excess local oxidation, are presented. Specifically, the limiting rod internal pressure for the onset of cladding lift-off is reduced, depending on initial excess oxidation spot sizes. Also, the power limits for Anticipated Operational Occurrences are adjusted, to preclude fuel melting and cladding failure due to PCMI and PCI-SCC in the affected fuel rods.
McCARD is a Monte Carlo (MC) neutron-photon transport simulation code. It has been developed exclusively for the neutronics design of nuclear reactors and fuel systems. It is capable of performing the whole-core neutronics calculations, the reactor fuel burnup analysis, the few group diffusion theory constant generation, sensitivity and uncertainty (S/U) analysis, and uncertainty propagation analysis. It has some special features such as the anterior convergence diagnostics, real variance estimation, neutronics analysis with temperature feedback, $B_1$ theory-augmented few group constants generation, kinetics parameter generation and MC S/U analysis based on the use of adjoint flux. This paper describes the theoretical basis of these features and validation calculations for both neutronics benchmark problems and commercial PWR reactors in operation.
In Korea, although the concept of dry storage system for PWR spent fuels first emerged in the early 1990s, wet storage inside nuclear reactor buildings remains the dominant storage paradigm. Furthermore, as the amount of discharged fuel from nuclear power plants increases, nuclear power plants are confronted with the problem of meeting storage capacity demand. Various measures have been taken to resolve this problem. Dry storage systems along with transportation of spent fuel either on-site or off-site are regarded as the most feasible measure. In order to develop dry storage and transportation system safety analyses, development of design techniques, full scale performance tests, and research on key material degradation should be conducted. This paper deals with two topics, structural analysis methodology to assess cumulative damage to transportation packages and the effects of an aircraft engine crash on a dual purpose cask. These newly emerging issues are selected from among the many technical issues related to the development of transportation and storage systems of spent fuels. In the design process, appropriate analytical methods, procedures, and tools are used in conjunction with a suitably selected test procedure and assumptions such as jet engine simulation for postulated design events and a beyond design basis accident.
A procedure for minimizing the environmental burden and maximizing the efficiency of storage sites used for the final disposal of spent fuel has been proposed. In this procedure, fission products (highly mobile and producing heat) are collected, and uranium and TRU-RE (transuranium-rare earth) oxide are independently stored. The possibility and applicability of radiation measurement for monitoring the nuclear materials effectively throughout the process has been simulated and evaluated. For the simulation, the properties of the chemical processes were analyzed, the major radiation emitters were determined, and the production of nuclear materials by chemical reactions were evaluated. In each process, the content of nuclear material was changed by up to 20% to represent abnormal conditions. The results showed that the plutonium peak was matched with the change in the TRU content and the measured signal was changed linearly with respect to the content change of the plutonium. From the neutron measurement, a linear response of the TRU content variation was obtained. In addition, a logic diagram was developed for the nuclear monitoring. The integration of radiation detections is recommended for monitoring the process effectively and efficiently.
YU, SEUNG NAM;LEE, JONG KWANG;PARK, BYUNG SUK;CHO, ILJE;KIM, KIHO
Nuclear Engineering and Technology
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제47권6호
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pp.776-790
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2015
Background: The advanced spent fuel conditioning process facility (ACPF) of the irradiated materials examination facility (IMEF) at the Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) has been renovated to implement a lab scale electrolytic reduction process for pyroprocessing. The interior and exterior structures of the ACPF hot cell have been modified under the current renovation project for the experimentation of the electrolytic reduction process using spent nuclear fuel. The most important aspect of this renovation was the installation of the argon compartment within the hot cell. Method: For the design and system implementation of the argon compartment system, a full-scale mock-up test and a three-dimensional (3D) simulation test were conducted in advance. The remodeling and repairing of the process cell (M8a), the maintenance cell (M8b), the isolation room, and their utilities were also planned through this simulation to accommodate the designed argon compartment system. Results and conclusion: Based on the considered refurbishment workflow, previous equipment in the M8 cell, including vessels and pipes, were removed and disposed of successfully after a zoning smear survey and decontamination, and new equipment with advanced functions and specifications were installed in the hot cell. Finally, the operating area and isolation room were also refurbished to meet the requirements of the improved hot cell facility.
In the framework of OECD/NEA Working Group on Fuel Safety, a RIA fuel-rod-code Benchmark Phase I was organized in 2010-2013. It consisted of four experiments on highly irradiated fuel rodlets tested under different experimental conditions. This benchmark revealed the need to better understand the basic models incorporated in each code for realistic simulation of the complicated integral RIA tests with high burnup fuel rods. A second phase of the benchmark (Phase II) was thus launched early in 2014, which has been organized in two complementary activities: (1) comparison of the results of different simulations on simplified cases in order to provide additional bases for understanding the differences in modelling of the concerned phenomena; (2) assessment of the uncertainty of the results. The present paper provides a summary and conclusions of the second activity of the Benchmark Phase II, which is based on the input uncertainty propagation methodology. The main conclusion is that uncertainties cannot fully explain the difference between the code predictions. Finally, based on the RIA benchmark Phase-I and Phase-II conclusions, some recommendations are made.
Following the Fukushima nuclear disaster, the simulation of accidents in the spent fuel pool has become more noticeable. Despite the low amount of decay heat power, the consequences of the accidents in a spent fuel pool (SFP) can be severe due to the high content of long-lived radionuclides and lack of protection by the pressure vessel. In this study, the loss-of-cooling accident (LOFA) for the VVER-1000/V446 spent fuel pool is simulated by employing RELAP5 and MELCOR 1.8.6 as the best estimate and severe accident analysis codes, respectively. For two cases with different total power levels, decay heat of spent fuels is calculated by ORIGEN-II code. For modeling SFP of a VVER-1000, a qualified nodalizations are considered in both codes. During LOFA in SFP, the key sequences such as heating up of the pool water, boiling and reducing the water level, uncovering the spent fuels, increasing the temperature of the spent fuels, starting oxidation process (generating Hydrogen and extra power), the onset of fuel melting, and finally releasing radionuclides are studied for both cases. The obtained results show a reasonable consistency between the RELAP5 and MELCOR codes, especially before starting the oxidation process.
In this study, the impact load resulting from collision with the fuel rods of surrogate spent nuclear fuel (SNF) assemblies was measured during a rolling test based on an analysis of the data from surrogate SNF-loaded sea transportation tests. Unfortunately, during the sea transportation tests, excessive rolling motion occurred on the ship during the test, causing the assemblies to slip and collide with the canister. Hence, we designed and conducted a separate test to simulate rolling in sea transportation to determine whether such impact loads can occur under normal conditions of SNF transport, with the test conditions for the fuel assembly to slide within the basket experimentally determined. Rolling tests were conducted while varying the rolling angle and frequency to determine the angles and frequencies at which the assemblies experienced slippage. The test results show that slippage of SNF assemblies can occur at angles of approximately 14° or greater because of rolling motion, which can generate impact loads. However, this result exceeds the conditions under which a vessel can depart for coastal navigation, thus deviating from the normal conditions required for SNF transport. Consequently, it is not necessary to consider such loads when evaluating the integrity of SNFs under normal transportation conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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