To assess the risk of nuclear power plant operation and to determine the risk impact of digital systems, there is a need to quantitatively assess the reliability of the digital systems in a justifiable manner. The Probabilistic Risk Analysis (PRA) is a tool which can reveal shortcomings of the NPP design in general and PRA analysts have not had sufficient guiding principles in modelling particular digital components malfunctions. Currently digital I&C systems are mostly analyzed simply and conventionally in PRA, based on failure mode and effects analysis and fault tree modelling. More dynamic approaches are still in the trial stage and can be difficult to apply in full scale PRA-models. As basic events CPU failures, application software failures and common cause failures (CCF) between identical components are modelled.The primary goal is to model dependencies. However, it is not clear which failure modes or system parts CCF:s should be postulated for. A clear distinction can be made between the treatment of protection and control systems. There is a general consensus that protection systems shall be included in PRA, while control systems can be treated in a limited manner. OECD/NEA CSNI Working Group on Risk Assessment (WGRisk) has set up a task group, called DIGREL, to develop taxonomy of failure modes of digital components for the purposes of PRA. The taxonomy is aimed to be the basis of future modelling and quantification efforts. It will also help to define a structure for data collection and to review PRA studies.
From the PSA point of view, the Fukushima accident of Japan in 2011 reveals some issues to be re-considered and/or improved in the PSA such as the limited scope of the PSA, site risk, etc. KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) has performed researches on the development of an integrated risk assessment framework related to some issues arisen after the Fukushima accident. This framework can cover the internal PSA model and external PSA models (fire, flooding, and seismic PSA models) in the full power and the low power-shutdown modes. This framework also integrates level 1, 2 and 3 PSA to quantify the risk of nuclear facilities more efficiently and consistently. We expect that this framework will be helpful to resolve the issue regarding the limited scope of PSA and to reduce some inconsistencies that might exist between (1) the internal and external PSA, and (2) full power mode PSA and low power-shutdown PSA models. In addition, KAERI is starting researches related to the extreme external events, the risk assessment of spent fuel pool, and the site risk. These emerging issues will be incorporated into the integrated risk assessment framework. In this paper the integrated risk assessment framework and the research activities on the emerging issues are outlined.
Dependability-critical systems, such as digital instrumentation and control systems in nuclear power plants, necessitate engineering techniques and tools to provide assurances of their safety and reliability. Determining system reliability at the architectural design phase is important since it may guide design decisions and provide crucial information for trade-off analysis and estimating system cost. Despite this, reliability and system engineering remain separate disciplines and engineering processes by which the dependability analysis results may not represent the designed system. In this article we provide an overview and application of our approach to build architecture-based, dynamic system models for dependability-critical systems and then automatically generate dynamic fault trees (DFT) for comprehensive, tool-supported reliability analysis. Specifically, we use the Architectural Analysis and Design Language (AADL) to model the structural, behavioral and failure aspects of the system in a composite architecture model. From the AADL model, we seek to derive the DFT(s) and use Galileo's automated reliability analyses to estimate system reliability. This approach alleviates the dependability engineering - systems engineering knowledge expertise gap, integrates the dependability and system engineering design and development processes and enables a more formal, automated and consistent DFT construction. We illustrate this work using an example based on a dynamic digital feed-water control system for a nuclear reactor.
A future nuclear energy system is being developed at Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), the system involves a Sodium Fast Reactor (SFR) linked with the pyro-process. The pyro-process produces a source material to fabricate a SFR fuel rod. Therefore, an isotopic fissile content assay is very important for fuel rod safety and SFR economics. A new technology for an analysis of isotopic fissile content has been proposed using a lead slowing down spectrometer (LSDS). The new technology has several features for a fissile analysis from spent fuel: direct isotopic fissile assay, no background interference, and no requirement from burnup history information. Several calculations were done on the designed spectrometer geometry: detection sensitivity, neutron energy spectrum analysis, neutron fission characteristics, self shielding analysis, and neutron production mechanism. The spectrum was well organized even at low neutron energy and the threshold fission chamber was a proper choice to get prompt fast fission neutrons. The characteristic fission signature was obtained in slowing down neutron energy from each fissile isotope. Another application of LSDS is for an optimum design of the spent fuel storage, maximization of the burnup credit and provision of the burnup code correction factor. Additionally, an isotopic fissile content assay will contribute to an increase in transparency and credibility for the utilization of spent fuel nuclear material, as internationally demanded.
A well-performed core power control to track load changes is crucial in pressurized water reactor (PWR) nuclear power stations. It is challenging to keep the core power stable at the desired value within acceptable error bands for the safety demands of the PWR due to the sensitivity of nuclear reactors. In this paper, a state-space model predictive control (MPC) method was applied to the control of the core power. The model for core power control was based on mathematical models of the reactor core, the MPC model, and quadratic programming (QP). The mathematical models of the reactor core were based on neutron dynamic models, thermal hydraulic models, and reactivity models. The MPC model was presented in state-space model form, and QP was introduced for optimization solution under system constraints. Simulations of the proposed state-space MPC control system in PWR were designed for control performance analysis, and the simulation results manifest the effectiveness and the good performance of the proposed control method for core power control.
Rabiee, Ataollah;Kamalinia, Amir Hossein;Hadad, Kamal
Nuclear Engineering and Technology
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v.49
no.1
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pp.92-102
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2017
The analysis of steam generators as an interface between primary and secondary circuits in light water nuclear power plants is crucial in terms of safety and design issues. VVER-1000 nuclear power plants use horizontal steam generators which demand a detailed thermal hydraulics investigation in order to predict their behavior during normal and transient operational conditions. Two phase flow field simulation on adjacent tube bundles is important in obtaining logical numerical results. However, the complexity of the tube bundles, due to geometry and arrangement, makes it complicated. Employment of porous media is suggested to simplify numerical modeling. This study presents the use of porous media to simulate the tube bundles within a general-purpose computational fluid dynamics code. Solved governing equations are generalized phase continuity, momentum, and energy equations. Boundary conditions, as one of the main challenges in this numerical analysis, are optimized. The model has been verified and tuned by simple two-dimensional geometry. It is shown that the obtained vapor volume fraction near the cold and hot collectors predict the experimental results more accurately than in previous studies.
Due to the severe impacts of recent earthquakes, the use of seismic isolation is paramount for the safety of nuclear structures. The diversity observed in seismic events demands ongoing research to analyze the devastating attributes involved, and hence to enhance the sustainability of base-isolated nuclear power plants. This study reports the seismic performance of a seismically-isolated nuclear reactor containment building (NRCB) under strong short-period ground motions (SPGMs) and long-period ground motions (LPGMs). The United States Nuclear Regulatory Commission-based design response spectrum for the seismic design of nuclear power plants is stipulated as the reference spectrum for ground motion selection. Within the period range(s) of interest, the spectral matching of selected records with the target spectrum is ensured using the spectral-compatibility approach. NRC-compliant SPGMs and LPGMs from the mega-thrust Tohoku earthquake are used to obtain the structural response of the base-isolated NRCB. To account for the lack of earthquakes in low-to-moderate seismicity zones and the gap in the artificial synthesis of long-period records, wavelet-decomposition based autoregressive moving average modeling for artificial generation of real ground motions is performed. Based on analysis results from real and simulated SPGMs versus LPGMs, the performance of NRCBs is discussed with suggestions for future research and seismic provisions.
In any reactor physics analysis, the instantaneous power distribution in the core can be calculated when the actual bundle-wise burnup distribution is known. Considering the fact that CANDU (Canada Deuterium Uranium) utilizes on-power refueling to compensate for the reduction of reactivity due to fuel burnup, in the CANDU fuel management analysis, snapshots of power and burnup distributions can be obtained by simulating and tracking the reactor operation over an extended period using various tools such as the $^*SIMULATE$ module of the Reactor Fueling Simulation Program (RFSP) code. However, for some studies, such as an evaluation of a conceptual design of a next-generation CANDU reactor, the preferred approach to obtain a snapshot of the power distribution in the core is based on the patterned-channel-age model implemented in the $^*INSTANTAN$ module of the RFSP code. The objective of this approach is to obtain a representative snapshot of core conditions quickly. At present, such patterns could be generated by using a program called RANDIS, which is implemented within the $^*INSTANTAN$ module. In this work, we present an alternative approach to derive the patterned-channel-age model where a simulated-annealing-based algorithm is used to find such patterns, which produce reasonable power distributions.
In Korea, attempts have been made to develop high strength concrete for the safety and design life improvement of nuclear power plants. In this study, the cracking potentials of nuclear power plant-high strength concretes (NPP-HSCs) containing industrial by-products with W/B 0.34 and W/B 0.28, which are being reviewed for their application in the construction of containment structures, were evaluated through autogenous shrinkage, unrestrained drying shrinkage, and restrained drying shrinkage experiments. The cracking potentials of the NPP-HSCs with W/B 0.34 and W/B 0.28 were in the order of 0.34FA25 > 0.34FA25BFS25 > 0.34BFS50 > 0.34BFS65SF5 and 0.28FA25SF5 >> 0.28BFS65SF5 > 0.28BFS45SF5 > 0.28 FA20BFS25SF5, respectively. The cracking potentials of the seven mix proportions excluding 0.28FA25SF5 were lower than that of the existing nuclear power plant concrete; thus, the durability of a nuclear power plant against shrinkage cracking could be improved by applying the seven mix proportions with low cracking potentials.
Increasing the operation cycle length can be an important goal in the fuel reload design of a nuclear reactor core. In this research paper, a new optimization approach, electromagnetism mechanism (EM), is applied to the fuel arrangement design of the Bushehr WWER-1000 core. For this purpose, a neutronic solver has been developed for calculating the required parameters during the reload cycle of the reactor. In this package, two modules have been linked, including PARCS v2.7 and WIMS-5B codes, integrated in a solver for using in the fuel arrangement optimization operation. The first results of the prepared package, along with the cycle for the original pattern of Bushehr WWER-1000, are compared and verified according to the Final Safety Analysis Report and then the results of exploited EM linked with Purdue Advanced Reactor Core Simulator (PARCS) and Winfrith Improved Multigroup Scheme (WIMS) codes are reported for the loading pattern optimization. Totally, the numerical results of our loading pattern optimization indicate the power of the EM for this problem and also show the effective improvement of desired parameters for the gained semi-optimized core pattern in comparison to the designer scheme.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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