Pyroprocessing technology has been regarded as a promising solution for recycling spent fuel in nuclear power plants. The Korea Atomic Energy Research Institute has been studying the current status of equipment and facilities for pyroprocessing and found that existing facilities are manually operated; therefore, their applications have been limited to laboratory scale because of low productivity and safety concerns. To extend the pyroprocessing technology to a commercial scale, the facility, including all the processing equipment and the material-handling devices, should be enhanced in view of automation. In an automated pyroprocessing facility, a supervised control system is needed to handle and manage material flow and associated operations. This article provides a preliminary design of the supervising system for pyroprocessing. In particular, a manufacturing execution system intended for an automated pyroprocessing facility, named Pyroprocessing Execution System, is proposed, by which the overall production process is automated via systematic collaboration with a planning system and a control system. Moreover, a simulation-based prototype system is presented to illustrate the operability of the proposed Pyroprocessing Execution System, and a simulation study to demonstrate the interoperability of the material-handling equipment with processing equipment is also provided.
Kim, Sung-Wook;Heo, Dong Hyun;Lee, Sang Kwon;Jeon, Min Ku;Park, Wooshin;Hur, Jin-Mok;Hong, Sun-Seok;Oh, Seung-Chul;Choi, Eun-Young
Nuclear Engineering and Technology
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v.49
no.7
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pp.1451-1456
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2017
Finding technical issues associated with equipment scale-up is an important subject for the investigation of pyroprocessing. In this respect, electrolytic reduction of 1 kg $UO_2$, a unit process of pyroprocessing, was conducted using graphite as an anode material to figure out the scale-up issues of the C anode-based system at pilot scale. The graphite anode can transfer a current that is 6-7 times higher than that of a conventional Pt anode with the same reactor, showing the superiority of the graphite anode. $UO_2$ pellets were turned into metallic U during the reaction. However, several problems were discovered after the experiments, such as reaction instability by reduced effective anode area (induced by the existence of $Cl_2$ around anode and anode consumption), relatively low metal conversion rate, and corrosion of the reactor. These issues should be overcome for the scale-up of the electrolytic reducer using the C anode.
Pyroprocessing technology was developed in the beginning for metal fuel treatment in the US in the 1960s. The conventional aqueous process, such as PUREX, is not appropriate for treating metal fuel. Pyroprocessing technology has advantages over the aqueous process: less proliferation risk, treatment of spent fuel with relatively high heat and radioactivity, compact equipment, etc. The addition of an oxide reduction process to the pyroprocessing metal fuel treatment enables handling of oxide spent fuel, which draws a potential option for the management of spent fuel from the PWR. In this context, KAERI has been developing pyroprocessing technology to handle the oxide spent fuel since the 1990s. This paper describes the current status of pyroprocessing technology development at KAERI from the head-end process to the waste treatment. A unit process with various scales has been tested to produce the design data associated with the scale up. A performance test of unit processes integration will be conducted at the PRIDE facility, which will be constructed by early 2012. The PRIDE facility incorporates the unit processes all together in a cell with an Ar environment. The purpose of PRIDE is to test the processes for unit process performance, operability by remote equipment, the integrity of the unit processes, process monitoring, Ar environment system operation, and safeguards related activities. The test of PRIDE will be promising for further pyroprocessing technology development.
Kim, Sung-Wook;Han, Seung Youb;Jang, Junhyuk;Jeon, Min Ku;Choi, Eun-Young
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.19
no.2
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pp.255-266
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2021
Solid-state mechanochemical reduction combined with subsequent melting consolidation was suggested as a technical option for the oxide reduction in pyroprocessing. Ni ingot was produced from NiO as a starting material through this technique while Li metal was used as a reducing agent. To determine the technical feasibility of this approach for pyroprocessing, which handles spent nuclear fuels, thermodynamic calculations of the phase stabilities of various metal oxides of U and other fission elements were made when several alkaline and alkali-earth metals were used as reducing agents. This technique is expected to be beneficial, not only for oxide reduction but also for other unit processes involved in pyroprocessing.
Pyroprocessing is the optimal means of treating spent metal fuels from metal fast fuel reactors and is proposed as a potential option for GNEP in order to meet the requirements of the next generation fuel cycle. Currently, efforts for research and development are being made not only in the U.S., but also in Asian countries. Electrorefining, cathode processing by distillation, injection casting for fuel fabrication, and waste treatment must be verified by the use of genuine materials, and the engineering scale model of each device must be developed for commercial deployment. Pyroprocessing can be effectively extended to treat oxide fuels by applying an electrochemical reduction, for which various kinds of oxides are examined. A typical morphology change was observed following the electrochemical reduction, while the product composition was estimated through the process flow diagram. The products include much stronger radiation emitter than pure typical LWR Pu or weapon-grade Pu. Nevertheless, institutional measures are unavoidable to ensure proliferation-proof plant operations. The safeguard concept of a pyroprocessing plant was compared with that of a PUREX plant. The pyroprocessing is better adapted for a collocation system positioned with some reactors and a single processing facility rather than for a centralized reprocessing unit with a large scale throughput.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.20
no.1
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pp.23-32
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2022
Pyroprocessing is a promising technology for managing spent nuclear fuel. The nuclear material accounting of feed material is a challenging issue in safeguarding pyroprocessing facilities. The input material in pyroprocessing is in a solid-state, unlike the solution state in an input accountability tank used in conventional wet-type reprocessing. To reduce the uncertainty of the input material accounting, a double-stage homogenization process is proposed in considering the process throughput, remote controllability, and remote maintenance of an engineering-scale pyroprocessing facility. This study tests two types of mixing equipment in the proposed double-stage homogenization process using surrogate materials. The expected heterogeneity and accounting uncertainty of Pu are calculated based on the surrogate test results. The heterogeneity of Pu was 0.584% obtained from Pressurized Water Reactor (PWR) spent fuel of 59 WGd/tU when the relative standard deviation of the mass ratio, tested from the surrogate powder, is 1%. The uncertainty of the Pu accounting can be lower than 1% when the uncertainty of the spent fuel mass charged into the first mixers is 2%, and the uncertainty of the first sampling mass is 5%.
An analysis of a pyroprocessing safeguards methodology employing the Pu-to-$^{244}Cm$ ratio is presented. The analysis includes characterization of representative used nuclear fuel assemblies with respect to computed nuclide composition. The nuclide composition data computationally generated is appropriately reformatted to correspond with the material conditions after each step in the head-end stage of pyroprocessing. Uncertainty in the Pu-to-$^{244}Cm$ ratio is evaluated using the Geary-Hinkley transformation method. This is because the Pu-to-$^{244}Cm$ ratio is a Cauchy distribution since it is the ratio of two normally distributed random variables. The calculated uncertainty of the Pu-to-$^{244}Cm$ ratio is propagated through the mass flow stream in the pyroprocessing steps. Finally, the probability of Type-I error for the plutonium Material Unaccounted For (MUF) is evaluated by the hypothesis testing method as a function of the sizes of powder particles and granules, which are dominant parameters to determine the sample size. The results show the probability of Type-I error is occasionally greater than 5%. However, increasing granule sample sizes could surmount the weakness of material accounting because of the non-uniformity of nuclide composition.
A new methodology to analyze the nuclear material accountability for pyroprocessing system is developed. The $Pu-to-^{244}Cm$ ratio quantification is one of the methods for Pu accountancy in pyroprocessing. However, an uncertainty in the $Pu-to-^{244}Cm$ ratio due to the non-uniform composition in used fuel assemblies can affect the accountancy of Pu. A random variable, LOPu, is developed to analyze the probability of detection for Pu diversion of hypothetical scenarios at a pyroprocessing facility considering the uncertainty in $Pu-to-^{244}Cm$ ratio estimation. The analysis is carried out by the hypothesis testing and the event tree method. The probability of detection for diversion of 8 kg Pu is found to be less than 95% if a large size granule consisting of small size particles gets sampled for measurements. To increase the probability of detection more than 95%, first, a new Material Balance Area (MBA) structure consisting of more number of Key Measurement Points (KMPs) is designed. This multiple KMP-measurement for the MBA shows the probability of detection for 8 kg Pu diversion is greater than 96%. Increasing the granule sample number from one to ten also shows the probability of detection is greater than 95% in the most ranges for granule and powder sizes.
Pyroprocessing (or pyrometallurgy) is the way of extracting from materials subjected to high temperatures. Generally, this process has a high energy consumption because of mass production and heating-up. To attain effective and efficient energy management, energetic analysis using 0-dimensional model is usually conducted. However, this model can lead to a misunderstanding about energy evaluation due to many assumptions and limitations. In this study, heat & mass balance using 0-dimensional model was reviewed to systematize problems and considerations in general process energy evaluation.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.16
no.1
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pp.1-10
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2018
A simplified flowsheet for pyroprocessing commercial spent fuel is proposed in which the only salt treatment step is actinide drawdown from electrorefiner salt. Actinide drawdown can be performed using a simple galvanic reduction process utilizing the reducing potential of gadolinium metal. Recent results of equilibrium reduction potentials for Gd, Ce, Nd, and La are summarized. A description of a recent experiment to demonstrate galvanic reduction with gadolinium is reviewed. Based on these experimental results and material balances of the flowsheet, this new variant of the pyroprocessing scheme is expected to meet the objectives of minimizing cost, maximizing processing rate, minimizing proliferation risk, and optimizing the utilization of geologic repository space.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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