Geon Hyeong Lee;Jae Hyung Park;Beomjin Jeong;Sung Joong Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.8
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pp.3043-3066
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2024
In various small modular reactor (SMR) designs currently under development, the conventional concrete containment building has been replaced by a metal containment vessel (MCV). In these systems, the gap between the MCV and the reactor pressure vessel is filled with gas or vacuumed weakly, effectively suppressing conduction and convection heat transfer. However, thermal radiation remains the major mode of heat transfer during normal operation. The objective of this study was to investigate the heat-transfer mechanisms in integral pressurized water reactor (IPWR)-type SMRs under various gas-filled conditions using computational fluid dynamics. The use of thermal radiation shielding (TRS) with a much lower emissivity material than the MCV surface was also evaluated. The results showed that thermal radiation was always the dominant contributor to heat loss (48-97%), while the conjugated effects of the gas candidates on natural convection and thermal radiation varied depending on their thermal and radiative properties, including absorption coefficient. The TRS showed an excellent insulation performance, with a reduction in the total heat loss of 56-70% under the relatively low temperatures of the IPWR system, except for carbon dioxide (13%). Consequently, TRS can be utilized to enhance the thermal efficiency of SMR designs by suppressing the heat loss through the MCV.
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.
According to the OECD/NEA estimates, nuclear power plants (NPPs), whether with a large reactor or with small modular reactors (SMRs), are competitive with many other electricity generation technologies in a significant number of cases, one of the exceptions being natural gas in the USA with the current level of prices. However, SMRs have particular features and requirements setting conditions for their deployment. This paper presents the preliminary analysis by OECD/NEA of the economics, opportunities, and market for small nuclear reactors.
A complete solution for a soluble-boron-free (SBF) small modular reactor (SMR) is pursued with a new burnable absorber concept, namely centrally-shielded burnable absorber (CSBA). Neutronic flexibility of the CSBA design has been discussed with fuel assembly (FA) analyses. Major design parameters and goals of the SBF SMR are discussed in view of the reactor core design and three CSBA designs are introduced to achieve both a very low burnup reactivity swing (BRS) and minimal residual reactivity of the CSBA. It is demonstrated that the core achieves a long cycle length (~37 months) and high burnup (~30 GWd/tU), while the BRS is only about 1100 pcm and the radial power distribution is rather flat. This research also introduces a supplementary reactivity control mechanism using stainless steel as mechanical shim (MS) rod to obtain the criticality during normal operation. A further analysis is performed to investigate the local power peaking of the CSBA-loaded FA at MS-rodded condition. Moreover, a simple $B_4C$-based control rod arrangement is proposed to assure a sufficient shutdown margin even at the cold-zero-power condition. All calculations in this neutronic-thermal hydraulic coupled investigation of the 3D SBF SMR core are completed by a two-step Monte Carlo-diffusion hybrid methodology.
Hossam H. Abdellatif;Palash K. Bhowmik;David Arcilesi;Piyush Sabharwall
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.6
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pp.2375-2387
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2024
The passive safety systems (PSSs) within water-cooled reactors are meticulously engineered to function autonomously, requiring no external power source or manual intervention. They depend exclusively on inherent natural forces and the fundamental principles of reactor physics, such as gravity, natural convection, and phase changes, to manage, alleviate, and avert the release of radioactive materials into the environment during accident scenarios like a loss-of-coolant accident (LOCA). PSSs are already integrated into such operating commercial reactors as the Advanced Pressurized Reactor-1000 MWe (AP1000) and the Water-Water Energetic Reactor-1200 MWe (WWER-1200) are adopted in most of the upcoming small modular reactor (SMR) designs. Examples of water-cooled SMR PSSs are the passive emergency core-cooling system (ECCS), passive containment cooling system (PCCS), and passive decay-heat removal system, the designs of which vary based on reactor system-design requirements. However, understanding the accident-event progression and phases of a LOCA is pivotal for adopting a specific PSS for a new SMR design. This study covers the accident-event progression for direct vessel injection (DVI) small-break loss-of-coolant accident (SB-LOCA), associated physics phenomena, knowledge gaps, and important figures of merit (FOMs) that may need to be evaluated and assessed to validate thermal-hydraulics models with an available experimental dataset to support new SMR design and development.
Na, Min Wook;Shin, Doyoung;Park, Jae Hyung;Lee, Jeong Ik;Kim, Sung Joong
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.5
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pp.964-974
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2020
The small modular reactors (SMRs) of the integrated pressurized water reactor (IPWR) type have been widely developed owing to their enhanced safety features. The SMR-IPWR adopts passive residual heat removal system (PRHRS) to extract residual heat from the core. Because the PRHRS removes the residual heat using the latent heat of the water stored in the emergency cooldown tank, the PRHRS gradually loses its cooling capacity after the stored water is depleted. A quick restoration of the power supply is expected infeasible under station blackout accident condition, so an advanced PRHRS is needed to ensure an extended grace period. In this study, an advanced design is proposed to indirectly incorporate a dry air cooling tower to the PRHRS through an intermediate loop called indefinite PRHRS. The feasibility of the indefinite PRHRS was assessed through a long-term transient simulation using the MARS-KS code. The indefinite PRHRS is expected to remove the residual heat without depleting the stored water. The effect of the environmental temperature on the indefinite PRHRS was confirmed by parametric analysis using comparative simulations with different environmental temperatures.
Shin, Yong-Hoon;Park, Jaeyeong;Hur, Jungho;Jeong, Seongjin;Hwang, Il Soon
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.11
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pp.3580-3596
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2021
An integral test facility, PILLAR, was commissioned, aiming to provide valuable experimental results which can be referenced by system and component designers and used for the performance demonstration of liquid-metal-cooled, passive small modular reactors (SMRs) toward their licensing. The setup was conceptualized by a scaling analysis which allows the vertical arrangements to be conserved from its prototypic reactor, scaled uniformly in the radial direction achieving a flow area reduction of 1/200. Its final design includes several heater rods which simulate the reactor core, and a single heat exchanger representing the steam generators in the prototype. The system behaviors were characterized by its data acquisition system implementing various instruments. In this paper, we present not only a detailed description of the facility components, but also selected experimental results of both steady-state and transient cases. The obtained steady-state test results were utilized for the benchmark of a system code, achieving a capability of accurate simulations with ±3% of maximum deviations. It was followed by qualitative comparisons on the transient test results which indicate that the integral system behaviors in passive LBE-cooled systems are able to be predicted by the code.
The once-through steam generator used in the small modular reactor needs to consider the stability of the outlet steam pressure and steam superheat of the secondary circuit to achieve better operating efficiency. For this reason, this paper designs a controllable operation scheme for the steam pressure and superheat of the small reactor once-through steam generator. On this basis, designs a variable universe fuzzy controller, first, design the fuzzy control rules to make the controller adjust the PI controller parameters according to the change of the error; secondly, use the domain adjustment factor to further subdivide the input and output domain of the fuzzy controller according to the change of the error, to improve the system control performance. The simulation results show that the operation scheme proposed in this paper have better system performance than the original scheme of the small reactor system, and controller proposed in this paper have better control performance than traditional PI controller and fuzzy PI controller, what's more, the designed control system also showed better anti-disturbance performance in lifting experiment between 100% and 80% working conditions. Finally, the experimental platform formed by connecting the digital small reactor with Matlab/Simulink through OPC(OLE for Process Control) communication technology also verified the feasibility of the proposed scheme.
Background: Steam generator (SG) is one of the significant components in the nuclear steam supply system. A variety of SGs have been designed and used in nuclear reactor systems. Every SG has advantages and disadvantages. A brief account of some of the existing SG designs is presented in this study. A high surface to volume ratio of a SG is required in small modular reactors to occupy the least space. In this paper, performance improvement for SGs of integral small modular reactor is proposed. Aims/Methods: For this purpose, cross-grooved microfins have been incorporated on the inner surface of the helical tube to enhance heat transfer. The primary objective of this work is to investigate thermal-hydraulic behavior of the proposed improvements through modeling in RELAP5-3D. Results and Conclusions: The results are compared with helical-coiled SGs being used in IRIS (International Reactor Innovative and Secure). The results show that the tube length reduces up to 11.56% keeping thermal and hydraulic conditions fixed. In the case of fixed size, the steam outlet temperature increases from 590.1 K to 597.0 K and the capability of power transfer from primary to secondary also increases. However, these advantages are associated with some extra pressure drop, which has to be compensated.
This paper presents a new design concept for ocean nuclear power plants (ONPPs) using a tension leg platform (TLP). The system-integrated modular advanced reactor, which is one of the successful small modular reactors, is mounted for demonstration. The authors define the design requirements and parameters, modularize and rearrange the nuclear and other facilities, and propose a new total general arrangement. The most fundamental level of design results for the platform and tendon system are provided, and the construction procedure and safety features are discussed. The integrated passive safety system developed for the gravity based structure-type ONPP is also available in the TLP-type ONPP with minor modifications. The safety system fully utilizes the benefits of the ocean environment, and enhances the safety features of the proposed concept. For the verification of the design concept, hydrodynamic analyses are performed using the commercial software ANSYS AQWA with the Pierson-Moskowitz and JONSWAP wave spectra that represent various ocean environments and the results are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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