Kyung-hee Thorium Fuel (KTF), a heterogeneous thorium-based seed and blanket design concept for pressurized light water reactors, is being studied as an alternative to enhance proliferation resistance and fuel cycle economics of PWRs. The proliferation resistance characteristics of the KTF assembly design were evaluated through parametric studies using neutronic performance indices such as Bare Critical Mass (BCM), Spontaneous Neutron Source rate (SNS), Thermal Generation rate (TG), and Radio-Toxicity. Also, Fissile Economic Index (FEI), a new index for gauging fuel cycle economy, was suggested and applied to optimize the KTF design. A core loaded with optimized KTF assemblies with a seed-to-blanket ratio of 1: 1 was tested at the Korea Next Generation Reactor (KNGR), ARP-1400. Core design characteristics for cycle length, power distribution, and power peaking were evaluated by HELIOS and MASTER code systems for nine reload cycles. The core calculation results show that the KTF assembly design has nearly the same neutronic performance as those of a conventional $UO_2$ fuel assembly. However, the power peaking factor is relatively higher than that of conventional PWRs as the maximum Fq is 2.69 at the M$9^{th}$ equilibrium cycle while the design limit is 2.58. In order to assess the economic potential of a heterogeneous thorium fuel core, the front-end fuel cycle costs as well as the spent fuel disposal costs were compared with those of a reference PWR fueled with $UO_2$. In the case of comprising back-end fuel cycle cost, the fuel cycle cost of APR-1400 with a KTF assembly is 4.99 mills/KWe-yr, which is lower than that (5.23 mills/KWe-yr) of a conventional PWR. Proliferation resistance potential, BCM, SNS, and TG of a heterogeneous thorium-fueled core are much higher than those of the $UO_2$ core. The once-through fuel cycle application of heterogeneous thorium fuel assemblies demonstrated good competitiveness relative to $UO_2$ in terms of economics.
An electrochemical reduction of a mixture of metal oxides was conducted in a LiCl molten salt containing 3 wt% $Li_2O$ at $650^{\circ}C$. The oxide reduction was carried out by applying a current to an electrolysis cell, and the $Li_2O$ concentration was analyzed during each run. The concentration of $Li_2O$ in the electrolyte bulk phase gradually decreases according to Faraday's law due to a slow diffusion of the $O^{2-}$ ions. A hindrance effect of the unreduced metal oxides was observed for the reduction of the uranium oxide. Cs, Sr, and Ba of high heat-load fission products were diffused into and accumulated in the salt phase as predicted with thermodynamic consideration.
Use of the reconstructed fuel assemblies from partially burnt nuclear fuel pins is analyzed. This reutilization option is a potential candidate technique to make better use of the nuclear resources. Standard two step method is used to calculate node i.e. fuel assembly average burnup and then pin by pin ${\eta}$ values are reconstructed to ascertain the residual reactivity in the used fuel pins. Fuel pins with ${\eta}$ > 1:0 are used to reconstruct to-be-reused fuel assemblies. These reconstructed fuel assemblies are burnt during the cycle 3, 4, 5 and 6 of a 1000 MW PWR core by replacing fresh, once burnt and twice burnt fuel assemblies of the reference core configurations. It is concluded that using reconstructed fuel assemblies for the fresh fuel affect dearly on the cycle length (>50 EFPD) when more than 16 fresh fuel assemblies are replaced. However, this loss is less than 20 days if the number of fresh fuel assemblies is less than eight. For the case of replacing twice burned fuel, cycle length could be increased slightly (10 days or so) provided burnt fuel pins from other reactors were also available. Reactor safety parameters, like axial off set (< ${\pm}10%$), Doppler temperature coefficient (<0), moderator temperature coefficient at HFP (<0) are always satisfied. Though, 2D and 3D pin peaking factors are satisfied (<1:55) and (<2:52) respectively, for the cases using eight or less reconstructed fuel assemblies only.
Proceedings of the Korean Radioactive Waste Society Conference
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2005.11b
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pp.156-164
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2005
The challenges China is facing in energy security are briefly discussed. Then, the development of nuclear power in China in the first half of 21 st century is envisioned, and it is expected that Generation-3 PWR nuclear power plants (NPPs) would be the leading units of nuclear power in the coming $30\~40$ years. As part of the nuclear power program, the R&D work on nuclear fuel cycle is generally proposed.
Park, Dae-Yeob;Kim, Tack-Jin;Kim, Jiyong;Kim, Kyung-Ryang;Kim, Si-Hyung;Shim, Joon-Bo;Peak, Seungwoo;Ahn, Do-Hee
Journal of Advanced Engineering and Technology
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v.4
no.4
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pp.431-436
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2011
This study was carried out to reduce the problem during distillation process, which separate U, TRU (TRans Uranium) metal electro deposit, Cd and LiCl-KCl eutectic salt generating from LCC (Liquid Cadmium Cathode) electro winning process. The cadmium recovering apparatus was manufactured to separate for each metal using solid-liquid separation method. The apparatus consists of the first sieve for the separation of U and TRU metal electrodeposit, the second sieve for the separation of LiCl-KCl eutectic salt, cadmium collection basket, and a heating furnace. In addition, the size of each sieve is 2 mm to 3 mm. In this experiment, a metal wire was employed to replace TRU metal electrodeposit and U, which exist actually in a LCC crucible. In the solid state, The LiCl-KCl is separated at 340℃ at which the solid and the liquid of the remaining cadmium and LiCl-KCl eutectic salt coexists in each, after the metal wire separated at 500℃. As a result, it seems that it would be beneficial to set the processing condition in the distillation process with the additional treatment process of cadmium and LiCl-KCl eutectic salt.
For the analysis of a dry process fuel cycle, new modules were implemented into the fuel cycle analysis code DYMOND, which was developed by the Argonne National Laboratory. The modifications were made to the energy demand prediction model, a Canada deuterium uranium (CANDU) reactor, direct use of spent pressurized water reactor (PWR) fuel in CANDU reactors (DUPIC) fuel cycle model, the fuel cycle calculation module, and the input/output modules. The performance of the modified DYMOND code was assessed for the postulated once-through fuel cycle models including both the PWR and CANDU reactor. This paper presents modifications of the DYMOND code and the results of sample calculations for the PWR once-though and DUPIC fuel cycles.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.13
no.4
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pp.243-251
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2015
Nuclear power is currently the second largest power supply method in Korea and the number of nuclear power plants are planned to be increased as well. However, clear management policy for spent fuels generated from nuclear power plants has not yet been established. The back-end fuel cycle, associated with nuclear material flow after nuclear reactors is a collection of technologies designed for the spent fuel management and the spent fuel management policy is closely related with the selection of a nuclear fuel cycle. Cost is an important consideration in selection of a nuclear fuel cycle and should be determined by adding external cost to private cost. Unlike the private cost, which is a direct cost, studies on the external cost are focused on nuclear reactors and not at the nuclear fuel cycle. In this research, external cost indicators applicable to nuclear fuel cycle were derived and quantified. OT (once through), DUPIC (Direct Use of PWR SF in CANDU), PWR-MOX (PWR PUREX reprocessing), and Pyro-SFR (SFR recycling with pyroprocessing) were selected as nuclear fuel cycles which could be considered for estimating external cost in Korea. Energy supply security cost, accident risk cost, and acceptance cost were defined as external cost according to precedent and estimated after analyzing approaches which have been adopted for estimating external costs on nuclear power generation.
Proceedings of the Korean Radioactive Waste Society Conference
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2009.11a
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pp.53-54
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2009
The preliminary quantitative analysis of proliferation resistance for the five nuclear fuel cycles demonstrated that the thermal MOX fuel cycle is most vulnerable to proliferation due to the presence of pure $PuO_2$ in the fuel cycle, while the once-through fuel cycle has the highest proliferation resistance. The innovative next generation fuel cycles such as Pyro-SFR and Wet-SFR were found to have similar levels of proliferation resistance to that of the DUPIC fuel cycle which is believed to have proliferation resistance strong enough for commercial deployment. The sensitivity analysis also demonstrated the effectiveness of the proposed methodology in applying to existing and/or newly developing nuclear fuel cycles so as to improve the proliferation resistance characteristic of the fuel cycle systems.
Nur Anis Zulaikha Kamarudin;Aznan Fazli Ismail;Mohamad Hairie Rabir;Khoo Kok Siong
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.7
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pp.2641-2649
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2024
Effective management of slightly used nuclear fuel (SUNF) is crucial for both technical and public acceptance reasons. SUNF management, radiotoxicity risk, and associated financial investment and technological capabilities are major concerns in nuclear power production. Reducing the volume of SUNF can simplify its management, and one possible solution is utilizing small modular reactors (SMR) and advanced fuel designs like those with thorium. This research focuses on studying the neutronic performance and radionuclide inventory of three different thorium fuel configurations. The mass of fissile material in thorium-based fuel significantly impacts Kinf, burn-up, and neutron energy spectrum. Compared to uranium, thorium as a fuel produces far fewer transuranic elements and less long-lived fission products (LLFPs) at the end of the core cycle (EOC). However, certain fission product elements produced from thorium-based fuel exhibit higher radioactivity at the beginning of the core cycle (BOC). Physical separation of thorium and uranium in the fuel block, like seed-and-blanket units (SBU) and duplex fuel designs, generate less radioactive waste with lower radioactivity and longer cycle lengths than homogeneous or mixed thorium-uranium fuel. Furthermore, the SBU and duplex feel designs exhibit comparable neutron spectra, leading to negligible differences in SUNF production between the two.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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