Steven Wijaya;Xuan Ha Nguyen;Yunseok Jeong;Yonghee Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.3
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pp.907-915
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2024
Various core designs with multi-batch fuel management (FM) are proposed and optimized for an innovative small modular reactor (iSMR), focusing on enhancing the inherent safety and neutronic performance. To achieve soluble-boron-free (SBF) operation, cylindrical centrally-shielded burnable absorbers (CSBAs) are utilized, reducing the burnup reactivity swing in both two- and three-batch FMs. All 69 fuel assemblies (FAs) are loaded with 2-cylindrical CSBA. Furthermore, the neutron economy is improved by deploying a truly-optimized PWR (TOP) lattice with a smaller fuel radius, optimized for neutron moderation under the SBF condition. The fuel shuffling and CSBA loading patterns are proposed for both 2- and 3-batch FM with the aim to lower the core leakage and achieve favorable power profiles. Numerical results show that both FM configurations achieve a small reactivity swing of about 1000 pcm and the power distributions are within the design criteria. The average discharge burnup in the two-batch core is comparable to three-batch commercial PWR like APR-1400. The proposed checker-board CR pattern with extended fingers effectively assures cold shutdown in the two-batch FM scenario, while in the three-batch FM, three N-1 scenarios are failed. The whole evaluation process is conducted using Monte Carlo Serpent 2 code in conjunction with ENDF/B-VII.1 nuclear library.
Hydraulic performance and flow resistance tests were performed to confirm the main parameters of the hydraulic instrumentation that can affect the pump performance of the reactor coolant pump. The flow resistance test offers important experimental data, which are necessary to predict the behavior of the primary coolant when the circulation of the reactor coolant pump is stopped. Moreover, the shape of the hydraulic section of the pump, which was considered in the test, was prepared to compare the mixed-flow- and axial-flow-type models, the difference in the number of blades of the impeller and diffuser, the difference in the shape of the impeller blade and its thickness, and the effect of coating at the suction bell. Additionally, five models of the hydraulic part were manufactured for the experiments. In this study, the differences in performance owing to the design factors were confirmed through the experimental results.
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.
Recently, the Kingdom of Saudi Arabia (KSA) announced the development of first-of-a-kind(FOAK) and most advanced futuristic vertical city and named as 'The LINE'. The project will have zero carbon dioxide emissions and will be powered by clean energy sources. Therefore, a study was designed to understand which clean energy sources might be a better choice. Because of its nearly carbon-free footprint, nuclear energy may be a good choice. Nowadays, the development of very small modular reactors (vSMRs) is gaining attention due to many salient features such as cost efficiency and zero carbon emissions. These reactors are one step down to actual small modular reactors (SMRs) in terms of power and size. SMRs typically have a power range of 20 MWe to 300 MWe, while vSMRs have a power range of 1-20 MWe. Therefore, a study was conducted to discuss different vSMRs in terms of design, technology types, safety features, capabilities, potential, and economics. After conducting the comparative test and analysis, the fuel cycle modeling of optimal and suitable reactor was calculated. Furthermore, the levelized unit cost of electricity for each reactor was compared to determine the most suitable vSMR, which is then compared other generation SMRs to evaluate the cost variations per MWe in terms of size and operation. The main objective of the research was to identify the most cost effective and simple vSMR that can be easily installed and deployed.
A detailed computational fluid dynamics (CFD) simulation analysis model was developed using ANSYS CFX 16.1 and analyzed to simulate the basic design and internal flow characteristics of a 180 MW small modular reactor (SMR) with a natural circulation flow system. To analyze the natural circulation phenomena without a pump for the initial flow generation inside the reactor, the flow characteristics were evaluated for each output assuming various initial powers relative to the critical condition. The eddy phenomenon and the flow imbalance phenomenon at each output were confirmed, and a flow leveling structure under the core was proposed for an optimization of the internal natural circulation flow. In the steady-state analysis, the temperature distribution and heat transfer speed at each position considering an increase in the output power of the core were calculated, and the conceptual design of the SMR had a sufficient thermal margin (31.4 K). A transient model with the output ranging from 0% to 100% was analyzed, and the obtained values were close to the Thot and Tcold temperature difference value estimated in the conceptual design of the SMR. The K-factor was calculated from the flow analysis data of the CFX model and applied to an analysis model in RELAP5/MOD3.3, the optimal analysis system code for nuclear power plants. The CFX analysis results and RELAP analysis results were evaluated in terms of the internal flow characteristics per core output. The two codes, which model the same nuclear power plant, have different flow analysis schemes but can be used complementarily. In particular, it will be useful to carry out detailed studies of the timing of the steam generator intervention when an SMR is activated. The thermal and hydraulic characteristics of the models that applied porous media to the core & steam generators and the models that embodied the entire detail shape were compared and analyzed. Although there were differences in the ability to analyze detailed flow characteristics at some low powers, it was confirmed that there was no significant difference in the thermal hydraulic characteristics' analysis of the SMR system's conceptual design.
Wood, Richard T.;Upadhyaya, Belle R.;Floyd, Dan C.
Nuclear Engineering and Technology
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v.49
no.5
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pp.896-904
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2017
Several Generation IV nuclear reactor concepts have goals for optimizing investment recovery through phased introduction of multiple units on a common site with shared facilities and/or reconfigurable energy conversion systems. Additionally, small modular reactors are suitable for remote deployment to support highly localized microgrids in isolated, underdeveloped regions. The long-term economic viability of these advanced reactor plants depends on significant reductions in plant operations and maintenance costs. To accomplish these goals, intelligent control and diagnostic capabilities are needed to provide nearly autonomous operations with anticipatory maintenance. A nearly autonomous control system should enable automatic operation of a nuclear power plant while adapting to equipment faults and other upsets. It needs to have many intelligent capabilities, such as diagnosis, simulation, analysis, planning, reconfigurability, self-validation, and decision. These capabilities have been the subject of research for many years, but an autonomous control system for nuclear power generation remains as-yet an unrealized goal. This article describes a functional framework for intelligent, autonomous control that can facilitate the integration of control, diagnostic, and decision-making capabilities to satisfy the operational and performance goals of power plants based on multimodular advanced reactors.
Three small-break loss-of-coolant accident (SBLOCA) tests with safety injection pumps were carried out using the integral-effect test loop for SMART (System-integrated Modular Advanced ReacTor), i.e., the SMART-ITL facility. The types of break are a safety injection system line break, shutdown cooling system line break, and pressurizer safety valve line break. The thermal-hydraulic phenomena show a traditional behavior to decrease the temperature and pressure whereas the local phenomena are slightly different during the early stage of the transient after a break simulation. A safety injection using a high-pressure pump effectively cools down and recovers the inventory of a reactor coolant system. The global trends show reproducible results for an SBLOCA scenario with three different break locations. It was confirmed that the safety injection system is robustly safe enough to protect from a core uncovery.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.18
no.2
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pp.69-76
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2022
In order to prepare for a future nuclear market, research for developing floating small modular reactor has been initiated with the aim of differentiating it from large nuclear power plants such as distributed power, heat supply to remote communities and sea water desalination. Depending on the characteristics of the small modular reactor, it is necessary to design a plate and shell heat exchanger that can be manufactured smaller than the U-tube recirculation method. In this study, 12 cases are selected by changing the diameter of the heat plate, the thickness of the device body and the size of the stiffener. Finite element analysis is performed by setting the stress classification lines for the point at which deformation is expected under external pressure conditions for these analysis cases. For the basic design of the plate and shell heat exchanger, the optimal conditions are derived by analyzing the tendency of stress change in the device body and stiffener.
Jongin Yang;Hong Hyun Son;Yong Jae Lee;Doyoung Shin;Taejin Kim;Seong Soo Choi
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.6
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pp.1974-1987
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2023
The load-following operation of small modular reactors (SMRs) requires accurate prediction of transient behaviors that can occur in the balance of plants (BOP) and the nuclear steam supply system (NSSS). However, 1-D thermal-hydraulics analysis codes developed for safety and performance analysis have conventionally excluded the BOP from the simulation by assuming ideal boundary conditions for the main steam and feed water (MS/FW) systems, i.e., an open loop. In this study, we introduced a lumped model of BOP fluid system and coupled it with NSSS without any ideal boundary conditions, i.e., in a closed loop. Various methods for coupling boundary conditions at MS/FW were tested to validate their combination in terms of minimizing numerical instability, which mainly arises from the coupled boundaries. The method exhibiting the best performance was selected and applied to a transient simulation of an integrated NSSS and BOP system of a SMART. For a transient event with core power change of 100-20-100%, the simulation exhibited numerical stability throughout the system without any significant perturbation of thermal-hydraulic parameters. Thus, the introduced boundary-condition coupling method and BOP fluid system model can expectedly be employed for the transient simulation and performance analysis of SMRs requiring daily load-following operations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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