Perevoznikov, Sergey;Shvetsov, Yuriy;Kamayev, Aleksey;Pakhomov, Ilia;Borisov, Viacheslav;Pazin, Gennadiy;Mirzeabasov, Oleg;Korzun, Olga
Nuclear Engineering and Technology
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v.48
no.5
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pp.1162-1173
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2016
In this paper, we describe a physicomathematical model of the processes that occur in a sodium circuit with a variable flow cross-section in the case of a water leak into sodium. The application area for this technique includes the possibility of analyzing consequences of this leak as applied to sodium-water steam generators in fast neutron reactors. Hydrodynamic processes that occur in sodium circuits in the event of a water leak are described within the framework of a one-dimensional thermally nonequilibrium three-component gas-liquid flow model (sodium-hydrogen-sodium hydroxide). Consideration is given to the results of a mathematical modeling of experiments involving steam injection into the sodium loop of a circulation test facility. That was done by means of the computer code in which the proposed model had been implemented.
Multigroup cross section (MG XS) generation by the UNIST in-house Monte Carlo (MC) code MCS for fast reactor analysis using nodal diffusion codes is reported. The feasibility of the approach is quantified for two sodium fast reactors (SFRs) specified in the OECD/NEA SFR benchmark: a 1000 MWth metal-fueled SFR (MET-1000) and a 3600 MWth oxide-fueled SFR (MOX-3600). The accuracy of a few-group XSs generated by MCS is verified using another MC code, Serpent 2. The neutronic steady-state whole-core problem is analyzed using MCS/RAST-K with a 24-group XS set. Various core parameters of interest (core keff, power profiles, and reactivity feedback coefficients) are obtained using both MCS/RAST-K and MCS. A code-to-code comparison indicates excellent agreement between the nodal diffusion solution and stochastic solution; the error in the core keff is less than 110 pcm, the root-mean-square error of the power profiles is within 1.0%, and the error of the reactivity feedback coefficients is within three standard deviations. Furthermore, using the super-homogenization-corrected XSs improves the prediction accuracy of the control rod worth and power profiles with all rods in. Therefore, the results demonstrate that employing the MCS MG XSs for the nodal diffusion code is feasible for high-fidelity analyses of fast reactors.
Sobhan Patnaik;Geoffrey L. Beausoleil II;Luca Capriotti
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.10
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pp.4158-4168
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2024
The Advanced Fuels Campaign's Fission Accelerated Steady State Testing (FAST) approach at Idaho National Laboratory creates a benchmark for evaluating accelerated irradiation via control rodlets and advanced metal fuel alloys for sodium-cooled fast reactors (SFRs). FAST experiments have been developed to generate prototypic temperature conditions during steady state irradiations of scaled geometric fuel pins. This approach helps to attain higher burn ups at a much faster rate than previous irradiation tests. For this study, the results from profilometry, fission gas release, and metallography of a FAST experiment are presented. Profilometry determined 0 % effective strain in the rodlets. The fission gas release fraction was measured from puncture/collection analysis. Constituent redistribution was observed in two specimens despite the peak fuel temperatures being below the normal ranges in which redistribution is expected. Metallography of the two higher temperature specimens showed typical swelling with the solid pin closing the fuel-cladding gap and the annular specimen having a fully closed annulus. Additionally, metallography indicated no swelling, no redistribution, and a homogenous microstructure for specimens with lower irradiation temperature. Post irradiation examination of FAST rodlets generally showed the expected representative behavior of metallic fuels within SFRs.
Sodium-cooled fast breeder reactors use liquid sodium as a moderator and coolant to transfer heat from the reactor core. The main hazard associated with sodium is its rapid reaction with water. Sodium-water reaction (SWR) takes place when water or vapor leak into the sodium side through a crack on a heat-transfer tube in a steam generator. If the SWR continues for some time, the SWR will damage the surface of the defective area, causing it to enlarge. This self-enlargement of the crack is called "self-wastage phenomena." A stepwise numerical evaluation model of the self-wastage phenomena was devised using a computational code of multicomponent multiphase flow involving a sodium-water chemical reaction: sodiumwater reaction analysis physics of interdisciplinary multiphase flow (SERAPHIM). The temperature of gas mixture and the concentration of NaOH at the surface of the tube wall are obtained by a numerical calculation using SERAPHIM. Averaged thermophysical properties are used to assess the local wastage depth at the tube surface. By reflecting the wastage depth to the computational grid, the self-wastage phenomena are evaluated. A two-dimensional benchmark analysis of an SWAT (Sodium-Water reAction Test rig) experiment is carried out to evaluate the feasibility of the numerical model. Numerical results show that the geometry and scale of enlarged cracks show good agreement with the experimental result. Enlarged cracks appear to taper inward to a significantly smaller opening on the inside of the tube wall. The enlarged outer diameter of the crack is 4.72 mm, which shows good agreement with the experimental data (4.96 mm).
A Prototype Gen-IV Sodium-cooled Fast Reactor which is one of the $4^{th}$ generation nuclear reactors is in development by Korea Atomic Energy Research Institute. The reactor is composed of four main fluid systems which are categorized by its functions, i.e., Primary Heat Transport System, Intermediate Heat Transport System, Decay Heat Removal System and Sodium-Water Reaction Pressure Relief System. The coolant of the reactor is liquid sodium and sodium-to-sodium heat exchangers are installed at the interfaces between two fluid systems, Intermediate Heat Exchangers between the Primary Heat Transport System and the Intermediate Heat Transport System and Decay Heat Exchangers between the Primary Heat Transport System and the Decay Heat Removal System. For the design and performance analysis of the Intermediate Heat Exchanger and the Decay Heat Exchanger, a computer code was written during previous step of research. In this work, the computer code named "SHXSA" has been validated preliminarily by computational fluid dynamics simulations.
It is important to clarify the mechanisms of molten-fuel-pool sloshing behavior that might be encountered during a core disruptive accident of sodium-cooled fast reactors. In this study, motivated by acquiring some evidence for understanding the characteristics of this behavior at more realistic conditions, a number of experiments are newly performed by injecting nitrogen gas into a water pool with the accumulation of solid particles. To achieve comprehensive understanding, various parameters including particle bed height, particle size, density, shape, gas pressure along with the gas-injection duration, were employed. It is found that due to the different interaction mechanisms between solid particles and the gas bubble injected, three kinds of regimes, termed respectively as the bubble-impulsion dominant regime, the transitional regime and the bed-inertia dominant regime, could be identified. The performed analyses also suggest that under present conditions, all our experimental parameters employed can have noticeable impact on the regime transition and resultant sloshing intensity (e.g. maximum elevation of water level at pool peripheries). Knowledge and fundamental data from this work will be used for the future verifications of fast reactor severe accident codes in China.
To improve the capability of the SAS4A code, which simulates the initiating phase of core disruptive accidents for MOX-fueled Sodium-cooled Fast Reactors (SFRs), the authors have investigated in detail the physical phenomena under unprotected loss-of-flow (ULOF) conditions in a previous paper (Kawada and Suzuki, 2020) [1]. As the conclusion of the last article, fuel stub motion, in which the residual fuel pellets would move toward the core central region after fuel pin disruption, was identified as one of the key phenomena to be appropriately simulated for the initiating phase of ULOF. In the present paper, based on the analysis of the experimental data, the behaviors related to the stub motion were evaluated and quantified by the author from scratch. A simple model describing fuel stub motion, which was not modeled in the previous SAS4A code, was newly proposed. The applicability of the proposed model was validated through a series of analyses for the CABRI experiments, by which the stub motion would be represented with reasonable conservativeness for the reactivity evaluation of disrupted core.
Jewhan Lee;Da-Young Gam;Ki Ean Nam;Seong J. Cho;Hyungmo Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.7
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pp.2373-2379
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2023
In sodium systems, leakage is one of the safety concerns; it can cause chemical reactions, which may result in fires. There are contact and non-contact types of leak detectors, and the conventional method of non-contact type detection is by gas sampling. Because of the complexity of this method, there has always been a need for a simple gas sensor, and the resistive-type nanostructure ZnO sensor is a promising option with various advantages. In this study, a ZnO sensor was fabricated, and the concept was tested as a leak detector using a dedicated experiment facility. The experiment results showed distinctive changes in resistance with the presence of sodium aerosol under various conditions. Replacing the conventional gas sampling with the ZnO sensors is expected to enable identification of the leakage location if used as a point-wise instrumentation and to greatly reduce the total cost, making the system simple, light, and effective. For further study, more tests will be performed to evaluate the sensitivity of key parameters under various conditions.
E. Hemanth Rao;Prabhat Kumar Shukla;D. Ponraju;B. Venkatraman
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.1
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pp.283-291
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2024
Sodium cooled Fast Reactors (SFR) are built with several engineered safety features and hence a severe accident such as a core melt accident is hypothetical with a probability of <10-6/ry. However, in case of such accidents, the mixture of the molten fuel and structural materials interacts with sodium. This phenomenon is known as Molten Fuel Coolant Interaction (MFCI) and results in fragmentation of the melt due to various instabilities. The fragmented particles settle as a debris bed on the core catcher at the bottom of the reactor vessel, and continue to generate decay heat. Characteristics of the debris particles play a vital role in heat transfer from the bed and need thorough investigation. The size, shape, and physical state of the debris depend on the associated fragmentation mechanism, superheating of the melt, and sodium temperature. Experiments have been conducted by releasing simulated corium, a molten mixture of alumina and iron generated by the aluminothermy process at ~2400 ℃ into liquid sodium, to study the fragmentation phenomena. After the experiment, the fragmented debris was retrieved and the particle size distribution was determined by sieve analysis. The debris was subjected to microscopic investigation for obtaining morphological characteristics. Based on the characteristics of debris, an attempt has been made to assess of fragmentation mechanism of simulated corium in sodium.
In this paper we discuss spent fuel management options in the Republic of Korea (ROK) from two interrelated perspectives: Centralized dry cask storage and spent fuel pyroprocessing and burning in sodium fast reactors (SFRs). We argue that the ROK will run out of space for at-reactors spent fuel storage by about the year 2030 and will thus need to transition centralized dry cask storage. Pyroprocessing plant capacity, even if approved and successfully licensed and constructed by that time, will not suffice to handle all the spent fuel discharged annually. Hence centralized dry cask storage will be required even if the pyroprocessing option is successfully developed by 2030. Pyroprocessing is but an enabling technology on the path leading to fissile material recycling and burning in future SFRs. In this regard we discuss two SFR options under development in the U.S.: the Super Prism and the Travelling Wave Reactor (TWR). We note that the U.S. is further along in reactor development than the ROK. The ROK though has acquired more experience, recently in investigating fuel recycling options for SFRs. We thus call for two complementary joint R&D project to be conducted by U.S. and ROK scientists. One leading to the development of a demonstration centralized away-fromreactors spent fuel storage facility. The other involve further R&D on a combined SFR-fuel cycle complex based on the reactor and fuel cycle options discussed in the paper.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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