A well-performed core power control to track load changes is crucial in pressurized water reactor (PWR) nuclear power stations. It is challenging to keep the core power stable at the desired value within acceptable error bands for the safety demands of the PWR due to the sensitivity of nuclear reactors. In this paper, a state-space model predictive control (MPC) method was applied to the control of the core power. The model for core power control was based on mathematical models of the reactor core, the MPC model, and quadratic programming (QP). The mathematical models of the reactor core were based on neutron dynamic models, thermal hydraulic models, and reactivity models. The MPC model was presented in state-space model form, and QP was introduced for optimization solution under system constraints. Simulations of the proposed state-space MPC control system in PWR were designed for control performance analysis, and the simulation results manifest the effectiveness and the good performance of the proposed control method for core power control.
Heat pipe cooled nuclear reactor has been a very attractive technical solution to provide the power for deep space applications. In this paper, a 200 kWe space nuclear reactor power design has been proposed based on the combination of an integrated UN ceramic fuel, a heat pipe cooling system and the Stirling power generators. Neutronics and thermal analysis have been performed on the space nuclear reactor. It was found that the entire reactor core has at least 3.9 $ subcritical even under the worst-case submersion accident superimposed a single safety drum failure, and results from fuel temperature coefficient, neutron spectrum and power distribution analysis also showed that this reactor design satisfies the neutronics requirements. Thermal analysis showed that the power in the core can be successfully removed both in normal operation or under one or more heat pipes failure scenarios.
It is vital to output the required electrical power following various task requirements when the space reactor power supply is operating in orbit. The dynamic performance of the closed Brayton cycle thermoelectric conversion system is initially studied and analyzed. Based on this, a load tracking power regulation method is developed for the liquid metal cooled space reactor power system, which takes into account the inlet temperature of the lithium on the hot side of the intermediate heat exchanger, the filling quantity of helium and xenon, and the input amount of the heat pipe radiator module. After comparing several methods, a power regulation method with fast response speed and strong system stability is obtained. Under various changes in power output, the dynamic response characteristics of the ultra-small liquid metal lithium-cooled space reactor concept scheme are analyzed. The transient operation process of 70 % load power shows that core power variation is within 30 % and core coolant temperature can operate at the set safety temperature. The second loop's helium-xenon working fluid has a 65K temperature change range and a 25 % filling quantity. The lithium at the radiator loop outlet changes by less than ±7 K, and the system's main key parameters change as expected, indicating safety. The core system uses less power during 30 % load power transient operation. According to the response characteristics of various system parameters, under low power operation conditions, the lithium working fluid temperature of the radiator circuit and the high-temperature heat pipe operation temperature are limiting conditions for low-power operation, and multiple system parameters must be coordinated to ensure that the radiator system does not condense the lithium working fluid and the heat pipe.
The free-piston Stirling engine (FPSE) has been widely used in aerospace owing to its advantages of high efficiency, high reliability, and self-starting ability. In this paper, a 20-kW FPSE is proposed by analyzing the requirements of space nuclear power reactor. A code was developed based on an improved simple analysis method to evaluate the performance of the proposed FPSE. The code is benchmarked with experimental data, and the maximum relative error of the output power is 17.1%. Numerical results show that the output power is 21 kW, which satisfies the design requirements. The results show that: a) reducing the pressure shell's thickness can improve the output power significantly; b) the system efficiency increases with the wire porosity, while the growth of system efficiency decreases when the porosity is higher than 80%, and system efficiency exhibits a linear relationship with the temperatures of the cold and hot sides; c) the system efficiency increases with the compression ratio; the compression ratio increases by 16.7% while the system efficiency increases by 42%. This study can provide valuable theoretical support for the design and analysis of FPSEs for space nuclear power reactors.
Xiaoquan Chen;Peng Du;Rui Tian;Zhuoyao Li;Hongkun Lian;Kun Zhuang;Sipeng Wang
Nuclear Engineering and Technology
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제55권1호
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pp.364-372
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2023
The space reactor is the primary energy supply for future space vehicles and space stations. The radiator is one of the essential parts of a space reactor. Therefore, the research on radiators can improve the heat dissipation power, reduce the quality of radiators, and make the space reactor smaller. Based on MOOSE multi-physics numerical calculation platform, a simulation program for the combination of heat pipe and fin at the end of heat pipe radiator is developed. It is verified that the calculation result of this program is accurate and the calculation speed is fast. Analyze the heat transfer characteristics of the combination with heat pipe and fin, and obtain its internal temperature field. Based on the calculation results, the influence of structural parameters on the heat dissipation power is analyzed. The results show that when the fin width is 0.25 m, fin thickness is 0.002 m, condensing section length is 0.5425 m and heat pipe radius is 0.014 m, the power-mass ratio is the highest. When the temperature is 700K-900K, the heat dissipation power increases 41.12% for every 100K increase in the operating temperature. Smaller fin width and thinner fin thickness can improve the power-mass ratio and reduce the radiator quality.
The conceptual design of the MIT modular pebble bed reactor is described. This reactor plant is a 250 Mwth, 120 Mwe indirect cycle plant that is designed to be deployed in the near term using demonstrated helium system components. The primary system is a conventional pebble bed reactor with a dynamic central column with an outlet temperature of 900 C providing helium to an intermediate helium to helium heat exchanger (IHX). The outlet of the IHX is input to a three shaft horizontal Brayton Cycle power conversion system. The design constraint used in sizing the plant is based on a factory modularity principle which allows the plant to be assembled 'Lego' style instead of constructed piece by piece. This principle employs space frames which contain the power conversion system that permits the Lego-like modules to be shipped by truck or train to sites. This paper also describes the research that has been conducted at MIT since 1998 on fuel modeling, silver leakage from coated fuel particles, dynamic simulation, MCNP reactor physics modeling and air ingress analysis.
Zhigang Li;Junjie Pan;Bangyang Xia;Shenglong Qiang;Wei Lu;Qing Li
Nuclear Engineering and Technology
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제55권9호
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pp.3213-3228
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2023
As an important part of the digital reactor, the pin-by-pin wise fine coupling calculation is a research hotspot in the field of nuclear engineering in recent years. It provides more precise and realistic simulation results for reactor design, operation and safety evaluation. CORCA-K a nodal code is redeveloped as a robust pin-by-pin wise neutronics and thermal-hydraulic coupled calculation code for pressurized water reactor (PWR) core. The nodal green's function method (NGFM) is used to solve the three-dimensional space-time neutron dynamics equation, and the single-phase single channel model and one-dimensional heat conduction model are used to solve the fluid field and fuel temperature field. The mesh scale of reactor core simulation is raised from the nodal-wise to the pin-wise. It is verified by two benchmarks: NEACRP 3D PWR and PWR MOX/UO2. The results show that: 1) the pin-by-pin wise coupling calculation system has good accuracy and can accurately simulate the key parameters in steady-state and transient coupling conditions, which is in good agreement with the reference results; 2) Compared with the nodal-wise coupling calculation, the pin-by-pin wise coupling calculation improves the fuel peak temperature, the range of power distribution is expanded, and the lower limit is reduced more.
Kim, Ok-Joo;Cho, Nan-Zin;Park, Chang-Je;Park, Moon-Ghu
Nuclear Engineering and Technology
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제39권3호
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pp.221-230
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2007
Wavelet theory was applied to detect a singularity in a reactor power signal. Compared to Fourier transform, wavelet transform has localization properties in space and frequency. Therefore, using wavelet transform after de-noising, singular points can easily be found. To test this theory, reactor power signals were generated using the HANARO(a Korean multi-purpose research reactor) dynamics model consisting of 39 nonlinear differential equations contaminated with Gaussian noise. Wavelet transform decomposition and de-noising procedures were applied to these signals. It was possible to detect singular events such as a sudden reactivity change and abrupt intrinsic property changes. Thus, this method could be profitably utilized in a real-time system for automatic event recognition(e.g., reactor condition monitoring).
The Free-Piston Stirling engine (FPSE) is of interest for many research in aerospace due to its advantages of long operating life, higher efficiency, and zero maintenance. In this study, a 1-kW FPSE was proposed by analyzing the requirements of Space Reactor Power Systems (SRPS), of which performance was evaluated by developing a code through the Simple Analysis Method. The results of SAM showed that the critical parameters of FPSE could satisfy the designed requirements. The heater of the FPSE was designed with the copper rectangular fins to enhance heat transfer, and the parametric study of the heater was performed with Computational Fluid Dynamics (CFD) software STAR-CCM+. The Performance Evaluation Criteria (PEC) was used to evaluate the heat transfer enhancement of the fins in the heater. The numerical results of the CFD program showed that pressure drop and Nusselt number ratio had a linear growth with the height of fins, and PEC number decreased as the height of fins increased, and the optimum height of the fin was set as 4 mm according to the minimum heat exchange surface area. This paper can provide theoretical supports for the design and numerical analysis of an FPSE for SRPSs.
Hydrogen-steam gas mixture may be injected into containment with flow regime varying both spatially and transiently due to wall effect and pressure difference between primary loop and containment in severe accidents induced by loss of coolant accident. Preliminary CFD analysis is conducted to gain information about the helium flow regime transition process from jet to buoyancy plume for forthcoming experimental study. Physical models of impinging jet and wall condensation are validated using separated effect experimental data, firstly. Then helium transportation is analyzed with the effect of jet momentum, buoyancy and wall cooling discussed. Result shows that helium distribution is totally dominated by impinging jet in the beginning, high concentration appears near gas source and wall where jet momentum is strong. With the jet weakening, stable light gas layer without recirculating eddy is established by buoyancy. Transient reversed helium distribution appears due to natural convection resulted from wall cooling, which delays the stratification. It is necessary to concern about hydrogen accumulation in lower space under the containment external cooling strategy. From the perspective of experiment design, measurement point should be set at the height of connecting pipe and near the wall for stratification stability criterion and impinging jet modelling validation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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