The solid-state core of a heat pipe cooled reactor operates at high temperatures over 1000 K with thermal and irradiation-induced expansion during burnup. The expansion changes the gap thickness between the solid components and the material properties, and may even cause the gap closure, which then significantly influences the thermal and mechanical characteristics of the reactor core. This study developed an irradiation behavior model for HPRTRAN, a heat pipe reactor system analysis code, to introduce the irradiation effects such as swelling and creep. The megawatt heat pipe reactor MegaPower was chosen as an application case. The coupled irradiation-thermal-mechanical model was developed to simulate the irradiation effects on the heat transfer and stresses of the whole reactor core. The results show that the irradiation deformation effect is significant, with the irradiation-induced strains up to 2.82% for fuel and 0.30% for monolith at the end of the reactor lifetime. The peak temperatures during the lifetime are 1027:3 K for the fuel and 956:2 K for monolith. The gap closure enhances the heat transfer but caused high stresses exceeding the yield strength in the monolith.
Microstructural characteristics and strengthening behavior in Mg-5wt%Zn-0.6wtZr alloys have been investigated by a combination of optical, secondary electron and transmission electron microscopy, differential thermal analysis, and hardness and tensile, creep property measurements. The result have been compared with those of Mg-5wt%Zn alloys. The as-squeeze cast microstructure consisted of dendrite ${\alpha}-Mg$, interdendrite or intergranular $Mg_7Zn_3$ and fine dispersoids of $ZnZr_2$. The size of secondary solidification phases in Mg-5wt%Zn-0.6wtZr alloys was significantly smaller than that of the Mg-5wt%Zn alloys due to the existence of fine dispersoid of $ZnZr_2$ which also effected the refinement of grain size. TEM study showed that the main cause of age hardening is formation of fine rodlike ${\beta}_1\;'$ precipitates as well as fine $ZnZr_2$ dispersoids. Due to the observed microstructural characteristics mechanical propeties of Mg-5wt%Zn-0.6wtZr alloys was found to be superior to those of Mg-5wt%Zn alloys.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.16
no.5
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pp.112-120
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2012
A numerical model considering the internal vaporization and the creep effect, in the form of a analytical program, for tracing the behavior of high strength concrete(HSC) members exposed to fire is presented. The two stages, i.e., spalling procedure and fire resistance time, associated with the thermal, moisture flow, creep and structural analysis, for the prediction of fire resistance behavior are explained. The use of the analytical program for tracing the response of HSC member from the initial pre-loading stage to collapse, due to fire, is demonstrated. Moisture evaporates, when concrete is exposed to fire, not only at concrete surface but also at inside the concrete to adjust the equilibrium and transfer properties of moisture. Finite element method is employed to facilitate the moisture diffusion analysis for any position of member, so that the prediction method of the moisture distribution inside the concrete members at fire is developed. The validity of the numerical model used in this program is established by comparing the predictions from this program with results from others fire resistance tests. The analytical program can be used to predict the fire resistance of HSC members for any value of the significant parameters, such as load, sectional dimensions, member length, and concrete strength.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.10
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pp.1377-1384
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2010
The objective of this study is to determine the best material model that represents the deformation behavior of the Sn37Pb solder alloy accurately. First, a specimen is fabricated and subjected to a thermal cycle with temperatures ranging from the room temperature to $125^{\circ}C$. An experiment is conducted to examine deformation by Moire interferometry. Three different constitutive equation models are used in the finite element analysis (FEA) of the thermal cycle. In order to minimize the difference between the FEA results and the experimental results, the material parameters of the solder alloy are considered to be unknown and are determined by conducting optimization. As a result of the study, the Anand model is found to represent the deformation behavior of the solder most accurately.
The FUel Rod Analysis(FURA) code is developed using two-dimensional finite element methods for axisymmetric and plane stress analysis of fuel rod. It predicts the thermal and mechanical behavior of fuel rod during normal and load follow operations. To evaluate the exact temperature distribution and the inner gas pressure, the radial deformation of pellet and clad, the fission gas release are considered over the full-length of fuel rod. The thermal element equation is derived using Galerkin's techniques. The displacement element equation is derived using the principle of virtual works. The mechanical analysis can accommodate various components of strain: elastic, plastic, creep and thermal strain as well as strain due to swelling, relocation and densification. The 4-node quadratic isoparametric elements are adopted, and the geometric model is confined to a half-pellet-height region with the assumption that pellet-pellet interaction is symmetrical. The pellet cracking and crack healing, pellet-cladding interaction are modelled. The Newton-Raphson iteration with an implicit algorithm is applied to perform the analysis of non-linear material behavior accurately and stably. The pellet and cladding model has been compared with both analytical solutions and experimental results. The observed and predicted results are in good agreement. The general behavior of fuel rod is calculated by axisymmetric system and the cladding behavior against radial crack is used by plane stress system. The sensitivity of strain aging of PWR fuel cladding tube due to load following is evaluated in terms of linear power, load cycle frequency and amplitude.
An integral computer code has been developed for a mechanical and thermal design and performance analysis of an oxide fuel rod in a pressurized water reactor. The code designated as FROD 1.0 takes into account the phenomena of radial power depression within the pellet, cracking, densification and swelling of the pellet, fission gas release, clad creep, pellet-clad contact, heat transfer to coolant and buildup of corrosion layers on the clad surface. The FROD 1.0 code yields two-dimensional temperature distributions, dimensional changes, stresses, and internal pressure of a fuel rod as a function of irradiation time within a reasonable computation time. The code may also be used for the analyses of oxide fuel rods in other thermal reactors. As an application of FROD 1.0 the behavior of fuel rod loaded in the first core of Go-ri Nuclear Power Plant Unit 1 is predicted for the two power histories corresponding to steady state operation and Codition II of the ANS Classification. The results are compared with the design criteria described in the Final Safety Analysis Report and a discrepancy between these two values is discussed herein.
Kim, Gyu-Yong;Jung, Sang-Hwa;Lee, Tae-Gyu;Kim, Young-Sun;Nam, Jeong-Soo
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.14
no.4
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pp.119-125
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2010
The performance deformation of concrete can be caused by many factors such as load, thermal strain and creep at high temperature. Japan, Europe and America have been doing various experimental studies to solve these problems about thermal properties of concrete at high temperature, each study has generated different results due to a heating methods, heating hours, size of specimens and performance of a the loading, heating method, size of specimen and heating machine. There has been no unified experimental method so far. Therefore, this study reviewed experimental studies on the strength performance of concrete subject to heating and loading method. As a result, compressive strength of specimen prestressed increase in the temperature range of between $100^{\circ}C$ and about $400^{\circ}C$. Also, results can be analyzed as compare equation of compressive strength at elevated temperature with CEN and CEB code.
Kim, K.;Wee, S.;Choi, J.;Kim, D.;Song, H.;Lee, J.;Seok, C.S.;Chung, E.S.;Kwon, S.H.
Journal of the Korean Society of Safety
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v.34
no.4
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pp.1-5
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2019
In the field of combined cycle power generation, thermal barrier coating(TBC) protects the super-heat-resistant alloy, which forms the core component of the gas turbine, from high temperature exposure. As the turbine inlet temperature(TIT) increases, TBC is more important and durability performance is also important when considering maintenance cost and safety. Therefore, studies have been made on the fabrication method of TBC and super-heat-resistant alloy in order to improve the performance of the TBC. In recent years, due to excellent properties such as high temperature creep resistance and high temperature strength, turbine blade material have been replaced by a single crystal superalloy, however there is a lack of research on TBC applied to single crystal superalloy. In this study, to understand the isothermal degradation performance of the TBC applied to the single crystal superalloy, isothermal exposure test was conducted at various temperature to derive the delamination life. The growth curve of thermally grown oxide(TGO) layer was predicted to evaluate the isothermal degradation performance. Also, microstructural analysis was performed by scanning electron microscope(SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) to determine the effect of mixed oxide formation on the delamination life.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.18
no.2
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pp.17-27
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2011
This paper describes an experimental study and finite element analysis (FEA) carried out for investigating thermal deformation behavior of solders, resulting from temperature change in the solder. With such a goal in mind, a shear specimen that was composed of two metal bars having different coefficient of thermal expansion and solder blocks placed between two bars was designed and fabricated. Two different types of solder blocks, eutectic solder (Sn/36Pb/ 2Ag) and lead-free solder (Sn/3.0Ag/0.5Cu) were tested as well. Fringe patterns for several temperature steps were recorded and analyzed for three temperature cycles using a real-time moir$\acute{e}$ setup. The experimental data was verified with FEA and used to evaluate the suitability for numerous solder constitutive models available in literatures. FEA employing Anand material model suggested by Darveaux et al. and Chang et al. were found to be in an excellent agreement with the experimental results for the eutectic solder and the lead-free solder, respectively. In addition, numerical predictions on bending displacement, shear strain and viscoplastic distortion energy are documented and viscoplastic deformation behavior of two types of solder material are compared.
Effects of Si and Ca additions on the mechanical properties of AM60 based Mg alloys have been investigated. Hardness of the AM60 based Mg alloys reached a maximum value after aging for approximately 33 hours but the amount of hardness increase was negligible. The poor age hardening response of the alloys was due to low Al content, which implies that Al content must be >6 wt.% to observe age hardening effect. The tensile and yield strength increased with increasing Al, Si, and Ca content but elongation decreased with increasing Al and Si content. The best mechanical properties obtained in AM 40-2.5Si-0.2Ca alloy after T4 heat treatment were as follows; tensile strength 193.4 MPa, yield strength 79.2 MPa, and elongation 11.2%. High temperature property obtained from creep test was also improved by introducing $Mg_2Si$ which has high hardness, high melting temperature and low thermal expansion coefficient.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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