This research serves to advance the development of engineering computational fluid dynamics (CFD) computing efficiency for the analysis of pressurized water reactor (PWR) core using rod-type fuel assemblies with mixing vanes (one kind of typical PWR core). In this research, a CFD scheme based on the reconstruction of the initial fine flow field (RIF CFD scheme) is proposed and analyzed. The RIF scheme is based on the quantitative regulation of flow velocities in the rod-type PWR core and the principle that the CFD computing efficiency can be improved greatly by a perfect initialization. In this paper, it is discovered that the RIF scheme can significantly improve the computing efficiency of the CFD computation for the rod-type PWR core. Furthermore, the RIF scheme also can reduce the computing resources needed for effective data storage of the large fluid domain in a rod-type PWR core. Moreover, a flow-ranking RIF CFD scheme is also designed based on the ranking of the flow rate, which enhances the utilization of the flow field with a closed flow rate to reconstruct the fine flow field. The flow-ranking RIF CFD scheme also proved to be very effective in improving the CFD efficiency for the rod-type PWR core.
As there has arisen a concern that failure of the high burnup fuel under the reactivity-insertion accident(RIA) may occur at the energy lower than the expected, fuel behavior under the rod ejection accident in a typical Westinghouse-designed 950 MWe PWR was analyzed by using the three dimensional nodal transient neutronics code, PANBOX2 and the transient fuel rod performance analysis code, FRAP-T6. Fuel failure criteria versus the burnup was conservatively derived taking into account available test data and the possible fuel failure mechanisms. The high burnup and longer cycle length fuel loading scheme of a peak rod turnup of 68 MWD/kgU was selected for the analysis. Except three dimensional core neutronics calculation, the analysis used the same core conditions and assumptions as the conventional zero dimensional analysis. Results of three dimensional analysis showed that the peak fuel enthalpy during the rod ejection accident is less than one third of that calculated by the conventional zero dimensional analysis methodology and the fraction of fuel failure in the core is less than 4 %. Therefore, it can be said that the current design limit of less than 10 percent fuel failure and maintaining the core coolable geometry would be adequately satisfied under the rod ejection accident, even though the conservative fuel failure criteria derived from the test data are applied.
In PWR three-dimensional transient coupling calculation software CORCA-K, the nodal Green's function method and diagonal implicit Runge Kutta method are used to solve the spatiotemporal neutron dynamic diffusion equation, and the single-phase closed channel model and one-dimensional cylindrical heat conduction transient model are used to calculate the coolant temperature and fuel temperature. The LMW, NEACRP and PWR MOX/UO2 benchmarks and FangJiaShan (FJS) nuclear power plant (NPP) transient control rod move cases are used to verify the CORCA-K. The effects of burnup, fuel effective temperature and ejection rate on the control rod ejection process of PWR are analyzed. The conclusions are as follows: (1) core relative power and fuel Doppler temperature are in good agreement with the results of benchmark and ADPRES, and the deviation between with the reference results is within 3.0% in LMW and NEACRP benchmarks; 2) the variation trend of FJS NPP core transient parameters is consistent with the results of SMART and ADPRES. And the core relative power is in better agreement with the SMART when weighting coefficient is 0.7. Compared with SMART, the maximum deviation is -5.08% in the rod ejection condition and while -5.09% in the control rod complex movement condition.
The small modular liquid-metal fast reactor (SMFR) is an important component of advanced nuclear systems. SMFRs exhibit relatively low breeding capability and constraint space for control rod installation. Consequently, control rods are deeply inserted at beginning and are withdrawn gradually to compensate for large burnup reactivity loss in a long lifetime. This paper is committed to investigating the impact of control rod compensation operation on core neutronics characteristics. This paper presents a whole core fine depletion model of long lifetime SMFR using OpenMC and the influence of depletion chains is verified. Three control rod position schemes to simulate the compensation process are compared. The results show that the fine simulation of the control rod compensation process impacts significantly the fuel burnup distribution and absorber consumption. A control rod equivalent position scheme proposed in this work is an optimal option in the trade-off between computation time and accuracy. The control position is crucial for accurate power distribution and void feedback coefficients in SMFRs. The results in this paper also show that the pin level power distribution is important due to the heterogeneous distribution in SMFRs. The fuel burnup distribution at the end of core life impacts the worth of control rods.
Surian Pinem;Wahid Luthfi;Peng Hong Liem;Donny Hartanto
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.5
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pp.1775-1782
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2023
Several reactor physics commissioning experiments were conducted to obtain the neutronic parameters at the beginning of the G.A. Siwabessy Multi-purpose Reactor (RSG-GAS) operation. These parameters are essential for the reactor to safety operate. Leveraging the experimental data, this study evaluated the calculated core reactivity, control rod reactivity worth, integral control rod reactivity curve, and fuel reactivity. Calculations were carried out with Serpent 2 code using the latest neutron cross-section data ENDF/B-VIII.0. The criticality calculations were carried out for the RSG-GAS first core up to the third core configuration, which has been done experimentally during these commissioning periods. The excess reactivity for the second and third cores showed a difference of 510.97 pcm and 253.23 pcm to the experiment data. The calculated integral reactivity of the control rod has an error of less than 1.0% compared to the experimental data. The calculated fuel reactivity value is consistent with the measured data, with a maximum error of 2.12%. Therefore, it can be concluded that the RSG-GAS reactor core model is in good agreement to reproduce excess reactivity, control rod worth, and fuel element reactivity.
The present study aims to assess the excess induced reactivity in a Miniature Neutron Source Reactor (MNSR) for a Beyond Design Basis Accident (BDBA) scenario. The BDBA scenario as defined in the Safety Analysis Report (SAR) of the reactor involves sticking of the control rod and filling of the inner and outer irradiation sites with water. At the end of the MNSR core life, 10.95 cm of Beryllium is added to the top of the core as a reflector which affects some neutronic parameters such as effective delayed neutrons fraction (${\beta}_{eff}$), the reactivity worth of inner and outer irradiation sites that are filled with water and the reactivity worth of the control rod. Given those influences and changes, new neutronic calculations are required to be able to demonstrate the reactor safety. Therefore, a validated MCNPX model is used to calculate all neutronic parameters at the end of the reactor core life. The calculations show that the induced reactivity in the BDBA scenario increases at the end of core life to $7.90{\pm}0.01mk$ which is significantly higher than the induced reactivity of 6.80 mk given in the SAR of MNSR for the same scenario but at the beginning of the core's life. Also this value is 3.90 mk higher than the maximum allowable operational limit (i.e. 4.00 mk).
Kim, Jong-Chae;Kim, Myung-Hyun;Lee, Un-Chul;Kim, Young-Jin
Nuclear Engineering and Technology
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v.30
no.4
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pp.342-352
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1998
A nuclear design feasibility of soluble boron free(SBF core for the medium-sized(600MWe) PWR was investigated. The result conformed that soluble boron free operation could be performed by using current PWR proven technologies. Westinghouse advanced reactor, AP-600 was chosen as a design prototype. Design modification was applied for the assembly design with burnable poison and control rod absorber material. In order to control excess reactivity, large amount of gadolinia integral burnable poison rods were used and B4C was used as a control rod absorber material. For control of bottom shift axial power shape due to high temperature feedback in SBF core, axial zoning of burnable poison was applied to the fuel assemblies design. The combination of enrichment and rod number zoning for burnable poison could make an excess reactivity swing flat within around 1% and these also led effective control on axial power offset and peak pin power, The safety assessment of the designed core was peformed by the calculation of MTC, FTC and shutdown margin. MTC in designed SBF core was greater around 6 times than one of Ulchin unit 3&4. Utilization of enriched BIO(up to 50w1o) in B4C shutdown control rods provided enough shutdown margin as well as subcriticality at cold refueling condition.
During a loss-of-coolant accident (LOCA) in the pressurized water reactor (PWR), there is a possibility that high temperature and internal pressure of the fuel rods lead to ballooning of the cladding, which causes a partial blockage of flow area in a subchannel. Such flow blockage would influence the core coolant flow, thus affecting the core heat transfer during a reflooding phase and subsequent severe accident. However, most of the system analysis codes simulate the accident process based on the assumed channel blockage ratio, resulting in the fact that the simulation results are not consistent with the actual situation. This paper integrates the developed core Fuel Rod Thermal-Mechanical Behavior analysis (FRTMB) module into the self-developed severe accident analysis code ISAA. At the same time, the existing flow blockage model is improved to make it possible to simulate the change of flow distribution due to fuel rod deformation. Finally, the ISAA-FRTMB is used to simulate the QUENCH-LOCA-0 experiment to verify the correctness and effectiveness of the improved flow blockage model, and then the effect of clad ballooning on core heat transfer and subsequent parts of core degradation is analyzed.
Proceedings of the Korean Nuclear Society Conference
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1996.05b
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pp.379-384
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1996
Thermal-hydraulic performance has been analyzed for an advanced reactor core loaded with hexagonal fuel assemblies. Currently available CHF prediction models and data base for triangular lattice bundles have been thoroughly reviewed, and as a result the KfK-3 CHF correlation with limit CHFR of 1.235 has been determined to be most appropriate. The pressure drop model in COBRA-IV-I code has been modified for the analysis of triangular lattice rod bundles. In view of maximizing the thermal margin, the geometry of a hexagonal fuel assembly, such as rod diameter and rod pitch, has been optimized with a fixed fuel assembly cross sectional area The optimum value of the moderator-to-fuel volume ratio is estimated to lie between 0.65 to 1 with 9.5 mm rod diameter. The thermal margin of these hexagonal fuel assemblies in the AP600 core has been evaluated and compared with that of square lattice fuel assemblies such as VANTAGE-5H and KOFA. The analysis result shows that the performances of hexagonal fuel assemblies are more favorable than the square fuel assemblies in the aspect of steady-state overpower margin.
There has been a deep interest in trying to find better-performing fuel clad motivated by the desire to decrease the likelihood of the reactor barrier failure like what happened in Fukushima in recent years. In this study, the effect of move towards accident tolerant fuel (ATF) cladding as the most attracting concept for improving reactor safety is investigated for SMART modular reactor. These reactors have less production cost, short construction time, better safety and higher power density. The SiC and FeCrAl materials are considered as the most potential candidate for ATF cladding, and the results are compared with Zircaloy cladding material from reactor physics point of view. In this paper, the calculations are performed by generating PMAX library by DRAGON lattice physics code to be used for further reactor core analysis by PARCS code. The differential and integral worth of control and safety rods, reactivity coefficient, power and temperature distributions, and boric acid concentration during the cycle are analyzed and compared from the conventional fuel cladding. The rod ejection accident (REA) is also performed to study how the power changed in response to presence of the ATF cladding in the reactor core. The key quantitative finding can be summarized as: 20 ℃ (3%) decrease in average fuel temperature, 33 pcm (3%) increase in integral rod worth and cycle length, 1.26 pcm/℃ (50%) and 1.05 pcm/℃ (16%) increase in reactivity coefficient of fuel and moderator, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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