Kim, Koung Moon;Hwang, Ji-Hwan;Wongwises, Somchai;Jerng, Dong-Wook;Ahn, Ho Seon
Nuclear Engineering and Technology
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제52권8호
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pp.1611-1625
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2020
We propose a scaled-down experimental model of vertical air-natural convection channels by applying the modified Ishii-Kataoka scaling method with the assistance of numerical analyses to the Reactor Vault Cooling System (RVCS) of the Proto-type Gen-IV Sodium-cooled fast reactor (PGSFR) being developed in Korea. Two major non-dimensional numbers (modified Richardson and Friction number) from the momentum equation and Stanton number from the energy balance equation were identified to design the scaled-down experimental model to assimilate thermal-hydraulic behaviors of the natural convective air-cooling channel of RVCS. The ratios of the design parameters in the PGSFR RVCS between the prototype and the scaled-down model were determined by setting Richardson and Stanton number to be unity. The friction number which cannot be determined by the Ishii-Kataoka method was estimated by numerical analyses using the MARS-KS system code. The numerical analyses showed that the friction number with the form loss coefficient of 2.0 in the scale-down model would result in an acceptable prediction of the thermal-hydraulic behavior in RVCS. We also performed experimental benchmarking using the scaled-down model with the MARS-KS simulations to verify the appropriateness of the scale-down model, which demonstrated that the temperature rises and the average air flow velocity measured in the scale-down model.
As a measure of improving the mechanical properties of a diffusion bonded joint of a ferritic/martensitic steel (FMS), the post-bonding heat treatment (PBHT) is applied. In the temperature range of normalizing condition ($950-1,050^{\circ}C$), diffusion bonding is employed with compressive stress (6 MPa). Due to the martensite structure distributed in the matrix, Vicker's hardness values of the as-bonded are much higher than those of the as-received. Through the PBHT for 1 h at $720^{\circ}C$, hardness values are recovered to as low as those of the as-received condition. Also, tensile properties of PBHT are similar to those of the as-received at up to the test temperature of $550^{\circ}C$, when the diffusion bonding is carried out over $1,000^{\circ}C$. Based on the creep-rupture testing performed at $650^{\circ}C$ in air environment, the joint efficiency of the PBHTed specimens is about 80% in, which is higher than that of the as-bonded specimens.
Lee, Eun Byul;Lee, Byoung Oon;Shim, Woo-Yong;Kim, Jun Hwan
Nuclear Engineering and Technology
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제50권6호
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pp.915-922
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2018
Metallic fuel has been considered for sodium-cooled fast reactors because it can maximize the uranium resources. It generates rare earth elements as fission products, where it is reported by aggravating the fuel-cladding chemical interaction at the operating temperature. Rare earth elements form a multicomponent alloy (Ce-Nd-Pr-La-Sm-etc.) during reactor operation, where it shows a higher reaction thickness than a single element. Experiments have been carried out by simplifying multicomponent alloys for mono or binary systems because complex alloys have difficulty in the analysis. In previous experiments, xCe-yNd was fabricated with two elements, Ce and Nd, which have a major effect on the fuel-cladding chemical interaction, and the thickness of the reaction layer reached maximum when the rare earth elements ratio was 1:1. The objective of this study is to evaluate the effect and relationship of rare earth elements on such synergistic behavior. Single and binary rare earth model alloys were prepared by selecting five rare earth elements (Ce, Nd, Pr, La, and Sm). In the single system, Nd and Pr behaviors were close to diffusion, and Ce showed a eutectic reaction. In the binary system, Ce and Sm further increased the reaction layer, and La showed a non-synergy effect.
Byeong-Yeon KIM;Jewhan LEE;Youngil CHO;Jaehyuk EOH;Hyungmo KIM
Nuclear Engineering and Technology
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제54권12호
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pp.4412-4421
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2022
The pressure measurement in the high-temperature liquid metal system, such as Sodium-cooled Fast Reactor(SFR), is important and yet it is very challenging due to its nature. The measuring pressure is relatively at low range and the applied temperature varies in wide range. Moreover, the pressure transfer material in impulse line needs to considered the high temperature condition. The conventional diaphragm-based approach cannot be used for it is impossible to remove the effect of thermal expansion. In this paper, the Fiber Bragg Grating(FBG) sensor-based pressure measuring concept is suggested that it is free of problems induced by the thermal expansion. To verify this concept, a prototype was fabricated and tested in an appropriate conditions. The uncertainty analysis result of the experiment is also included. The final result of this study clearly showed that the FBG-based pressure transmitter system is applicable to the extreme environment, such as SFR and any other high-temperature liquid metal system and the measurement uncertainty is within reasonable range.
Sun Rock Choi;Junkyu Han;Huee-Youl Ye;Jonggan Hong;Won Sik Yang
Nuclear Engineering and Technology
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제56권4호
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pp.1125-1134
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2024
This paper presents a validation study of the subchannel analysis code SLTHEN used for the core thermal-hydraulic design of the Prototype Gen-IV sodium-cooled fast reactor (PGSFR). To assess the performance of the ENERGY model of SLTHEN, four liquid metal heating experiments conducted by ORNL, WARD, and KIT with hexagonal assemblies of wire-wrapped rod bundles were analyzed. These experiments were performed with 19-and 61-pin bundles and varying power distributions of axial and radial peaking factors up to 1.4 and 3.0, respectively. The coolant subchannel temperatures measured at different axial locations were compared with the SLTHEN predictions with the Novendstern, Chiu-Rohsenow-Todreas (CRT), and Cheng-Todreas (CT) correlations for flow split and mixing in wire-wrapped pin bundles. The results showed that the SLTHEN predicts the measured subchannel temperatures reasonably well with root-mean-square errors of ~10 % and maximum errors of ~20 %. It was also observed that the CRT and CT correlations consistently outperform the Novendstern correlation.
KI-HWAN KIM;SEUNG-UK MUN;SEONG-JUN HA;SEOUNG-WOO KUK;JEONG-YONG PARK
Archives of Metallurgy and Materials
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제65권3호
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pp.1035-1039
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2020
U-10wt.%Zr-5wt.%RE fuel slugs for a sodium-cooled fast reactor (SFR) were conventionally prepared by a modified injection casting method, which had the drawback of a low fabrication yield rate of approximately 60% because of the formation of many metallic fuel scraps, such as melt residue and unsuitable fuel slug butts. Moreover, the metallic fuel scraps were classified as a radioactive waste and stored in temporary storage without recycling. It is necessary to develop a recycling process technology for scrap wastes in order to reduce the radioactive wastes of the fuel scraps and improve the fabrication yield of the fuel slugs. In this study, the additive recycling process of the metallic fuel scraps was introduced to re-fabricate the U-10wt.%Zr-5wt.%RE fuel slugs. The U-10wt.%Zr-5wt.%RE fuel scraps were cleaned on the surface impurity layers with a mechanical treatment that used an electric brush under an Ar atmosphere. The U-10wt.%Zr-5wt.%RE fuel slugs were soundly re-fabricated and examined to evaluate the feasibility of the additive process compared with the metallic fuel slugs that used pure metals.
Three-dimensional flow phenomena in a wire-wrapped 37-pin fuel assembly mock-up of a Japanese loop-type sodium-cooled fast reactor, Monju, were investigated with a numerical analysis using a general-purpose commercial computational fluid dynamics code, CFX. Complicated and vortical flow phenomena in the wire-wrapped 37-pin fuel assembly were captured by a Reynolds-averaged Navier-Stokes flow simulation using a shear stress transport turbulence model. The main purpose of the current study is to understand the three-dimensional complex flow phenomena in a wire-wrapped fuel assembly to support the license issue for the core design. Computational fluid dynamics results show good agreement with friction factor correlation models. The secondary flow in the corner and edge subchannels is much stronger than that in an interior subchannel. The axial velocity averaged in the corner and edge subchannels is higher than that averaged in the interior subchannels. Three-dimensional multiscale vortex structures start to be formed by an interaction between secondary flows around each wire-wrapped pin. Behavior of the large-scale vortex structures in the corner and edge subchannels is closely related to the relative position between the hexagonal duct wall and the helically wrapped wire spacer. The small-scale vortex is axially developed in the interior subchannels. Furthermore, a driving force on each wire spacer surface is closely related to the relative position between the hexagonal duct wall and the wire spacer.
In order to investigate the effects of tempering temperature and heat-treatment path on the microstructural and mechanical properties of ASTM Gr.92 steels, four samples with different tempering temperatures and heat-treatment paths wer prepared. THeree experimental steels showed tempered martensitic microstructures, but the sample tempered at $810^{\circ}C$ was presumed to retain partially untempered martensitic microstructures due to a lower ${\alpha}$+${\gamma}$ phase regime. $M_{23}C_6$, V(C,N), and Nb(C,N) precipitates were observed in all samples. In addition $Cr_2N$ was observed to be precipitated finely and uniformly by isothermal heat-treatment. The lath width and precipitate size in the isothermal heat-treated samples were much smaller than those of the tempered-only specimens. Because of a fine and uniform precipitate, a reduction of lath width would enhance precipitation hardeing, and it was shown that mechanical propertiesincluding the hardness and tensile properties of the steels were improved by isothermal heat-treatment.
It was evaluated that the microstructural and mechanical properties of Ta-bearing 9Cr-0.5Mo-2W ferritic/martensitic experimental steels. All the experimental steels showed the tempered martensitic microstructures, and $M_{23}C_6$ carbides, whose sizes were ranged from 200 to 300 nm, were easily observed at both boundaries of the prior austenite grain and the martensite lath. In addition, a relatively large Nb-rich MX carbonitrides were intermittently detected at the prior austenite grain boundaries, whereas a lot of Vrich MX carbonitrides, whose mean diameter was less than 50 nm, were observed randomly at both boundaries. Ta was mainly incorporated into the V-rich MX carbonitrides rather than the Nb-rich ones and their content was spanned from 5 to 20 at.%. Ta contents within the MX precipitates also increased as the content of Ta increased. Because the Ta addition into the steels would be attributed to the precipitation strengthening, solid solution strengthening and lath width reduction, it was shown that the mechanical properties, including hardness, tensile strength and creep rate of the 9%Cr-0.5Mo-2W steels were improved by the increase of Ta content. Especially, 9Cr-0.5Mo-2W-0.3V-0.05Nb-0.14Ta steel was revealed to be relatively excellent in the application for the SFR fuel cladding.
본 연구에서는 피로 하중 및 크리프 하중을 받는 Mod.9Cr-1Mo (ASME Grade 91)강 시편에 대한 일련의 실험결과로부터 재료물성치인 고온 균열진전 모델을 개발하였다. 이 균열진전 모델은 크리프-피로하중을 받는 균열체의 결함평가에 사용되는 물성치이다. 한국원자력연구원이 수행한 일련의 피로 균열진전(FCG) 속도 실험 및 크리프 균열진전(CCG) 속도 실험 결과로부터 균열진전 모델을 결정하고, 이를 프랑스의 고온 설계 기술기준인 RCC-MRx 와 비교함으로써 설계 물성치의 보수성에 대해 검토하였다. RCC-MRx 는 FCG 모델 및 CCG 모델을 Section III Tome 6 에서 제공하고 있는데, 실험으로부터 결정한 균열진전 모델과 비교한 결과 RCC-MRx 의 FCG 모델은 보수적인 것으로 나타난 반면 CCG 모델은 비보수적인 것으로 나타나 동 물성치에 대한 검증이 필요한 것으로 나타났다. 또한 본 연구에서는 기계적 강도 및 크리프 시험결과에 대해서도 RCC-MRx 의 물성치와 비교 및 분석하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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