A Jacobian-Free Newton Krylov Two-Nodal Coarse Mesh Finite Difference algorithm based on Nodal Expansion Method (NEM_TNCMFD_JFNK) is successfully developed and proposed to solve the three-dimensional (3D) and multi-group reactor physics models. In the NEM_TNCMFD_JFNK method, the efficient JFNK method with the Modified Incomplete LU (MILU) preconditioner is integrated and applied into the discrete systems of the NEM-based two-node CMFD method by constructing the residual functions of only the nodal average fluxes and the eigenvalue. All the nonlinear corrective nodal coupling coefficients are updated on the basis of two-nodal NEM formulation including the discontinuity factor in every few newton steps. All the expansion coefficients and interface currents of the two-node NEM need not be chosen as the solution variables to evaluate the residual functions of the NEM_TNCMFD_JFNK method, therefore, the NEM_TNCMFD_JFNK method can greatly reduce the number of solution variables and the computational cost compared with the JFNK based on the conventional NEM. Finally the NEM_TNCMFD_JFNK code is developed and then analyzed by simulating the representative PWR MOX/UO2 core benchmark, the popular NEACRP 3D core benchmark and the complicated full-core pin-by-pin homogenous core model. Numerical solutions show that the proposed NEM_TNCMFD_JFNK method with the MILU preconditioner has the good numerical accuracy and can obtain higher computational efficiency than the NEM-based two-node CMFD algorithm with the power method in the outer iteration and the Krylov method using the MILU preconditioner in the inner iteration, which indicates the NEM_TNCMFD_JFNK method can serve as a potential and efficient numerical tool for reactor neutron diffusion analysis module in the JFNK-based multiphysics coupling application.
Wang, Qingshan;Zhang, Xiongjie;Meng, Xiangting;Wang, Bao;Wang, Dongyang;Zhou, Pengfei;Wang, Renbo;Tang, Bin
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.6
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pp.2023-2030
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2022
A novel pulse fitting analysis (PFA) method is presented for the acquisition of nuclear spectra. The charging process of the feedback capacitor in the resistive feedback charge-sensitive preamplifier is equivalent to the impulsive pulse, and its impulse response function (IRF) can be obtained by non-linear fitting of the falling edge of the nuclear pulse. The integral of the IRF excluding the baseline represents the energy deposition of the particles in the detector. In addition, since the non-linear fitting process in PFA method is difficult to achieve in the conventional architecture of spectroscopy system, a new multi-channel analyzer (MCA) based on Zynq SoC is proposed, which transmits all the data of nuclear pulses from the programmable logic (PL) to the processing system (PS) by high-speed AXI-Stream in order to implement PFA method with precision. The linearity of new MCA has been tested. The spectrum of 137Cs was obtained using LaBr3(Ce) scintillator detector, and was compared with commercial MCA by ORTEC. The results of tests indicate that the MCA based on PFA method has the same performance as the commercial MCA based on pulse height analysis (PHA) method and excellent linearity for γ-rays with different energies, which infers that PFA method is an effective and promising method for the acquisition of spectra. Furthermore, it provides a new solution for nuclear pulse processing algorithms involving regression and iterative processes.
Kim, Taeyun;Lee, Jaegi;Sun, Gwang-Min;Park, Byung-Gun;Park, Hae-Jun;Choi, Deuk-Soo;Ye, Sung-Joon
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.2
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pp.514-522
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2022
Non-destructive testing (NDT) technology is a widely used inspection method for agricultural products. Compared with the conventional inspection method, there is no extensive sample preparation for NDT technology, and the sample is not damaged. In particular, NDT technology is used to inspect the internal structure of agricultural products infested by pests. The introduction and spread of pests during the import and export process can cause significant damage to the agricultural environment. Until now, pest detection in agricultural products and quarantine processes have been challenging because they used external inspection methods. However, NDT technology is advantageous in these inspection situations. In this pilot study, we investigated the feasibility of X-ray computed tomography (X-ray CT) and magnetic resonance imaging (MRI) to identify pest infestation in agricultural products. Three kinds of artificially pest-infested fruits (mango, tangerine, and chestnut) were non-destructively inspected using X-ray CT and MRI. X-ray CT was able to identify all pest infestations in fruits, while MRI could not detect the pest-infested chestnut. In addition, X-ray CT was superior to the quarantine process than MRI based on the contrast-to-noise ratio (CNR), image acquisition time, and cost. Therefore, X-ray CT is more appropriate for the pest quarantine process of fruits than MRI.
Leem, Hyuntae;Choi, Yong;Jung, Jiwoong;Park, Kuntai;Kim, Yeonkyeong;Jung, Jin Ho
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.7
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pp.2592-2598
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2022
Research groups in the field of PET instrumentation are studying time-of-flight(TOF) technology to improve the signal-to-noise ratio of PET images. Scintillation light transport and collection plays an important role in improving the coincidence resolving time(CRT) of PET detector based on a pixelated crystal array. Four crystal arrays were designed by the different optical reflection configuration such as external reflectors and surface treatment on the CRT and compared with the light output, energy resolution and CRT. The design proposed in the study was composed of 8 × 8 LYSO crystal array consisted of 3 × 3 × 15 mm3 pixels. The entrance side was roughened while the other five surfaces were polished. Four sides of all crystal pixels were wrapped with ESR-film, and the entrance surface was covered by Teflon-tape. The design provided an excellent timing resolution of 210 ps and improved the CRT by 16% compared to the conventional method using a polishing treatment and ESR-film. This study provided a method for improving the light output and CRT of a pixelated scintillation crystal-based brain TOF PET detector. The proposed configuration might be an attractive detector design for TOF brain PET requiring fast timing performance with high cost-effectiveness.
The field-programmable gate array (FPGA) is gaining popularity in industrial automation such as nuclear power plant instrumentation and control (I&C) systems due to the benefits of having non-existence of operating system, minimum software errors, and minimum common reason failures. Separate functions can be processed individually and in parallel on the same integrated circuit using FPGAs in comparison to the conventional microprocessor-based systems used in any plant operations. The use of FPGAs offers the potential to minimize complexity and the accompanying difficulty of securing regulatory approval, as well as provide superior protection against obsolescence. Wireless sensor networks (WSNs) are a new technology for acquiring and processing plant data wirelessly in which sensor nodes are configured for real-time signal processing, data acquisition, and monitoring. ZigBee (IEEE 802.15.4) is an open worldwide standard for minimum power, low-cost machine-to-machine (M2M), and internet of things (IoT) enabled wireless network communication. It is always a challenge to follow the specific topology when different Zigbee nodes are placed in a large network such as a plant. The research article focuses on the hardware chip design of different topological structures supported by ZigBee that can be used for monitoring and controlling the different operations of the plant and evaluates the performance in Vitex-5 FPGA hardware. The research work presents a strategy for configuring FPGA with ZigBee sensor nodes when communicating in a large area such as an industrial plant for real-time monitoring.
The purpose of this study is to model and optimize the block-matching and 3D filtering (BM3D) algorithm and to evaluate its applicability in brain single-photon emission computed tomography (SPECT) images using a fan beam collimator. For quantitative evaluation of the noise level, the coefficient of variation (COV) and contrast-to-noise ratio (CNR) were used, and finally, a no-reference-based evaluation parameter was used for optimization of the BM3D algorithm in the brain SPECT images. As a result, optimized results were derived when the sigma values of the BM3D algorithm were 0.15, 0.2, and 0.25 in brain SPECT images acquired for 5, 10, and 15 s, respectively. In addition, when the sigma value of the optimized BM3D algorithm was applied, superior results were obtained compared with conventional filtering methods. In particular, we confirmed that the COV and CNR of the images obtained using the BM3D algorithm were improved by 2.40 and 2.33 times, respectively, compared with the original image. In conclusion, the usefulness of the optimized BM3D algorithm in brain SPECT images using a fan beam collimator has been proven, and based on the results, it is expected that its application in various nuclear medicine examinations will be possible.
Liu, Yong-kuo;Zhou, Wen;Ayodeji, Abiodun;Zhou, Xin-qiu;Peng, Min-jun;Chao, Nan
Nuclear Engineering and Technology
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v.53
no.1
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pp.148-163
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2021
Timely fault identification is important for safe and reliable operation of the electric valve system. Many research works have utilized different data-driven approach for fault diagnosis in complex systems. However, they do not consider specific characteristics of critical control components such as electric valves. This work presents an integrated shallow-deep fault diagnostic model, developed based on signals extracted from DN50 electric valve. First, the local optimal issue of particle swarm optimization algorithm is solved by optimizing the weight search capability, the particle speed, and position update strategy. Then, to develop a shallow diagnostic model, the modified particle swarm algorithm is combined with support vector machine to form a hybrid improved particle swarm-support vector machine (IPs-SVM). To decouple the influence of the background noise, the wavelet packet transform method is used to reconstruct the vibration signal. Thereafter, the IPs-SVM is used to classify phase imbalance and damaged valve faults, and the performance was evaluated against other models developed using the conventional SVM and particle swarm optimized SVM. Secondly, three different deep belief network (DBN) models are developed, using different acoustic signal structures: raw signal, wavelet transformed signal and time-series (sequential) signal. The models are developed to estimate internal leakage sizes in the electric valve. The predictive performance of the DBN and the evaluation results of the proposed IPs-SVM are also presented in this paper.
In this paper, we propose a method for performance enhancement of speech declipping using clipping detector. Clipping occurs when the input speech level exceeds the dynamic range of microphone, and it significantly degrades the speech quality. Recently, many methods for high-performance speech declipping based on machine learning have been developed. However, they often deteriorate the speech signal because of degradation in signal reconstruction process when the degree of clipping is not high. To solve this problem, we propose a new approach that combines the declipping network and clipping detector, which enables a selective declipping operation depending on the clipping level and provides high-quality speech in all clipping levels. We measured the declipping performance using various metrics and confirmed that the proposed method improves the average performance over all clipping levels, compared with the conventional methods, and greatly improves the performance when the clipping distortion is small.
Jae Hoon Jung;Ju Hyi Yim;Jae Won Lee;Han Byul Kang;Do Hoon Kim;Young Jin Shin
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.25
no.3
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pp.221-243
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2023
The use of roadheaders has been increasing to mitigate the problems of noise and vibration during tunneling operations in urban area. Since lack of experience of roadheader for hard rock, the selection of appropriate machines and the evaluation of cutting rates have been challenging. Currently, empirical models developed overseas are commonly used to evaluate cutting rates, but their effectiveness has not been verified for domestic rocks. In this paper, a comprehensive literature review was conducted to assess the rock cutting force, cutterhead capacity, and cutting rate to select the appropriate machine and evaluate its performance. The cutterhead capacity was reviewed based on the literature results for the site. Furthermore, a new empirical model and simplified method for predicting cutting rates were proposed through data analysis in relation to operation time and rock strength, and compared with those of the conventional model from the manufacturer. The results show good agreement for high strength range upper 80 MPa of uniaxial compressive strength.
Journal of the Korean Society for Geothermal and Hydrothermal Energy
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v.18
no.4
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pp.45-57
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2022
The Ministry of National Defense of the Republic of Korea is showing a lot of interest in net zero-energy buildings (NZEBs) to reduce energy consumption of military facilities and to promote green growth policy in military sector. The application of building passive technologies and renewable energies is essential to achieving NZEBs. This paper analyzed energy performance and energy cost on the conventional heating and cooling system (baseline scenario) and three different alternative scenarios (ALT 1, ALT 2 and ALT 3) applied in a hypothetical military building. A building modeling and simulation software (DesignBuilder V6.1) with EnergyPlus calculation engine was used to calculate the energy consumption for each scenario. Overall, when the GSHPs are applied to both space airconditioning and domestic hot water (DHW) production, Alt-2 and Alt-3, the amount of energy consumption for target building can be greatly reduced. In addition, when the building envelope performance is increased like Alt-3, the energy consumption can be further reduced. The annual energy cost analysis showed that the baseline was approximately 161 million KRW, while Alt-3 was approximately 33 million KRW. Therefore, it was analyzed that the initial construction cost increase could be recovered within about 6.7 years for ALT 3. The results of this study can help decision-makers to determine the optimal strategy for implementing GSHP systems in military buildings through energy performance and initial construction cost assessment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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