Jongin Yang;Hong Hyun Son;Yong Jae Lee;Doyoung Shin;Taejin Kim;Seong Soo Choi
Nuclear Engineering and Technology
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제55권6호
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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.
Cylindrical stainless-steel/sodium heat pipe for a high-temperature solar thermal application was manufactured and tested for transient and steady-state operations. Two layers of stainless-steel screen mesh wick was inserted as a capillary structure. The outer diameter of the heat pipe was 12.7 mm and the total length was 250 mm. The effective heat transport length, the thermal load, and the operating temperature were varied as thermal transport conditions of the heat pipe. The thermal load was supplied by an electric furnace up to 1kW and the cooling was performed by forced convection of air The effective thermal conductivity and the thermal resistance were investigated as a function of heat flux, heat transport length, and vapor temperature. Typical range of the total effective thermal conductivity was as low as 43,500 W/m K for heat flux of 176.4 kW/$m^2$ and of operating temperature of 1000 K.
Heat pipe cooled reactors have gained attention as a potential solution for nuclear power generation in space and deep sea applications because of their simple design, scalability, safety and reliability. However, under complex operating conditions, a control strategy for variable load operation is necessary. This paper presents a two-dimensional transient characteristics analysis program for a heat pipe cooled reactor and proposes a variable load control strategy using the recuperator bypass (CSURB). The program was verified against previous studies, and steady-state and step-load operating conditions were calculated. For normal operating condition, the predicted temperature distribution with constant heat pipe temperature boundary conditions agrees well with the literature, with a maximum temperature difference of 0.4 K. With the implementation of the control strategy using the recuperator bypass (CSURB) proposed in this paper, it becomes feasible to achieve variable load operation and return the system to a steady state solely through the self-regulation of the reactor, without the need to operate the control drum. The average temperature difference of the fuel does not exceed 1 % at the four power levels of 70 %,80 %, 90 % and 100 % Full power. The output power of the turbine can match the load change process, and the temperature difference between the inlet and outlet of the turbine increases as the power decreases.
Four different buildings having various wall construction are analyzed for the effect of wall mass on the thermal performance and inside building air and wall temperature transient and also for calculating the energy consumption load. This analytical study was motivated by the experimental work of Burch et al. An analytical solution of one-dimensional, linear, partial differential equations is obtained using the Laplace transform method, Bromwich and modified Bromwich contour method. A simple dynamic model using steady state analysis as simplified methods is developed and results of energy consumption loads are compared with results obtained using the analytical solution. Typical Meteorological Year data are processed to yield hourly average monthly values. This study is conducted using weather data from two different locations in Korea: Daegu having severe weather in summer and winter and Jeju having mild weather almost all year round. There is a significant wall mass effect on the thermal performance of a building in mild weather condition. Buildings of heavyweight construction with insulation show the highest comfort level in mild weather condition. A proportional controller provides the higher comfort level in comparison with buildings using on-off controller. The steady state analysis gives an accurate estimate of energy load for all types of construction. Finally, it appears that both mass and wall insulation are important factors in the thermal performance of buildings, but their relative merits should be decided in each building by a strict analysis of the building layout, weather conditions and site condition.
Generally, space structures are subjected to severe situations, such as, sublimation, strong evaporation of lubricants, thermal stresses, high temperature gradients, irradiation, impacts by microscopic meteorites, and other factors. Recent]y, various kinds of coatings are applied to the parts under heavy contact stresses, in order to insure long wear-free lives and/or reduce friction coefficients. In space structures, molybdenum disulfide is using frequently. Moreover TiN, Al$_2$O$_3$, PTFE(Poly Tetra Fluor Ethylene) are introduced recently for space structure. In this part we are going to apply the partial model method, developed in reference[11] to analyze part with coated layer. In referencer[l1], we compute the reasonable size of partial model and aspect ratio. Using these data, we analyze the structures coated with TiN, Al$_2$O$_3$, PTFE under contact load, temperature and crack model . Beside, we consider the stress analysis under time dependent load and transient thermal effect.
For severe accident assessment of reactor pressure vessel (RPV), it is important to develop an accurate model that can predict transient thermo-mechanical behavior of the RPV lower head under the given condition. The present study revisits the lower head failure with two- and three-dimensional finite element models. In particular, we aim to give clear insight regarding the effect of the three-dimensionality present in the distribution of the thickness and thermal load of the lower head. For a rigorous validation of the result, both the OLHF-1 and the OLHF-2 tests are considered in this study. The result suggests that the three-dimensional effect is not negligible as far as the failure location is concerned. The non-uniformity of the thickness distribution is found to affect the failure location and time. The thermal load, which may not be axisymmetric in general, has the most significant effect on the failure assessment. We also observe that the creep property can affect the global deformation of the lower head, depending on the applied mechanical load.
In this study, a numerical analysis was performed to simulate the thermal-hydraulic response of the secondary side of a steam generator(SG) model equipped with an orifice-type SG outlet flow restrictor to a main steam line break(MSLB) at a pressurized water reactor(PWR) plant. The SG analysis model includes the SG upper steam space and the part of the main steam pipe between the SG outlet and the broken pipe end. By comparing the numerical calculation results for the present SG model to those obtained for a simple SG model having no flow restrictor, the effects of the flow restrictor on the thermal-hydraulic response of SG to the MSLB were investigated.
Concentric annular heat pipes (CAHP) were fabricated and tested to investigate their thermal characteristics. The CAHPs were 25.4 mm in outer diameter and 200 mm in length. The inner surface of the heat pipes was covered with screen mesh wicks and they were connected by four bridge wicks to provide liquid return path. Three different heat pipes were fabricated to observe the effect of change in diameter ratios between 2.31 and 4.23 while using the same outer tube dimensions. The major concern of this study was the transient response as well as isothermal characteristics of the heat pipe outer surface, considering the application as uniform heating device. A better performance was achieved as the diameter ratio increased. For the thermal load of 180 W, the maximum temperature difference on the outer surface in the axial direction of CAHP was $2.3^{\circ}C$ while that of the copper block of the same outer dimension was $5.9^{\circ}C.$ The minimum thermal resistance of the CAHP was measured to be $0.004^{\circ}C/W.$ In regard to the transient response during start-up, the heat pipe showed almost no time lag to the heat source, while the copper block of the same outer dimensions exhibited about 25 min time lag.
In order to enhance the dynamic and interactive simulation capability of a system thermal hydraulic code for nuclear power plant, applicability of flow network models in SINDA/FLUIN $T^{™}$ has been tested by modeling feedwater system and coupling to DSNP which is one of a system thermal hydraulic simulation code for a pressurized heavy water reactor. The feedwater system is selected since it is one of the most important balance of plant systems with a potential to greatly affect the behavior of nuclear steam supply system. The flow network model of this feedwater system consists of condenser, condensate pumps, low and high pressure heaters, deaerator, feedwater pumps, and control valves. This complicated flow network is modeled and coupled to DSNP and it is tested for several normal and abnormal transient conditions such turbine load maneuvering, turbine trip, and loss of class IV power. The results show reasonable behavior of the coupled code and also gives a good dynamic and interactive simulation capabilities for the several mild transient conditions. It has been found that coupling system thermal hydraulic code with a flow network code is a proper way of upgrading simulation capability of DSNP to mature nuclear plant analyzer (NPA).
A thermal equivalent circuit of IPMSM considering eddy current loss of PM and core loss of rotor is proposed. This thermal equivalent model is represented by the thermal resistances and thermal capacitances. In order to determine the factor of each parameter, a heating test is processed. Additionally, the eddy current loss of PM is calculated by a transient 3D finite element analysis. Finally, this thermal equivalent model is verified by a temperature test in a 25kW 12-pole/18-slot IPMSM with varying load.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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