G. Beausoleil;L. Capriotti;B. Curnutt;R. Fielding;S. Hayes;D. Wachs
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.11
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pp.4084-4094
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2022
The Advanced Fuels Campaign Fission Accelerated Steady-state Test (FAST) at Idaho National Laboratory (INL) completed its first irradiation cycle within the Advanced Test Reactor (ATR). The test focused on the irradiation of alloy fuel forms for use in sodium fast reactors. The first cycle of FAST testing was completed and four rodlets were removed for the initial post irradiation examination (PIE). The rodlet design and irradiation conditions were evaluated using Monte Carlo N-Particle (MCNP) for as-run power history and COMSOL for temperature analysis. These rodlets include a set of low burnups (~2.5 % fissions per initial metal atoms [%FIMA]), control rodlets, and a helium-bonded annular rodlet (4.7 %FIMA). Nondestructive PIE has been completed and includes visual inspection, neutron radiography and gamma scanning of the FAST capsules and rodlets. Radiography confirmed the integrity of the experiments, revealed that the annulus in the annular fuel was filled at a modest burnup (4.7 %FIMA), and indicated potential slumping of the cooler rodlets at lower burnup. Precision gamma scanning indicated mostly usual fission product behavior, except for cesium in the He-bonded annular fuel. Future destructive PIE will be necessary to fully interpret the effects of accelerated irradiation on U-Zr metallic fuel behavior.
In order to meet the increasing demand for electricity, Korea has to rely on nuclear energy due to its poor natural resources. In order for nuclear energy to be expanded in its utilization, issues with uranium supply and waste management issues have to be addressed. Fast reactor system is one of the most promising options for electricity generation with its efficient utilization of uranium resources and reduction of radioactive waste, thus contributing to sustainable development. The Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI) has been performing R&Ds on Sodium-cooled Fast Reactors (SFRs) under the national nuclear R&D program. Based on the experiences gained from the development of KALIMER conceptual designs of a pool-type U-TRU-10%Zr metal fuel loaded reactor, KAERI is currently developing Advanced SFR design concepts that can better meet the Generation IV technology goals. This also includes developing, Advanced SFR technologies necessary for its commercialization and basic key technologies, aiming at the conceptual design of an Advanced SFR by 2011. KAERI is making R&D efforts to develop advanced design concepts including a passive decay heat removal system and a supercritical $CO_2$ Brayton cycle energy conversion system, as well as developing design methodologies, computational tools, and sodium technology. The long-term Advanced SFR development plan will be carried out toward the construction of an Advanced SFR demonstration plant by 2028.
It is important to clarify the characteristics of flow regimes underlying the debris bed formation behavior that might be encountered in core disruptive accidents of sodium-cooled fast reactors. Although in our previous publications, by applying dimensional analysis technique, an empirical model, with its reasonability confirmed over a variety of parametric conditions, has been successfully developed to predict the regime transition and final bed geometry formed, so far this model is restricted to predictions of debris mixtures composed of spherical particles. Focusing on this aspect, in this study a new series of experiments using nonspherical particles have been conducted. Based on the knowledge and data obtained, an extension scheme is suggested with the purpose of extending the base model to cover the particle-shape influence. Through detailed analyses and given our current range of experimental conditions, it is found that, by coupling the base model with this scheme, respectable agreement between experiments and model predictions for the regime transition can be achieved for both spherical and nonspherical particles. Knowledge and evidence from our work might be utilized for the future improvement of design of an in-vessel core catcher as well as the development and verification of sodium-cooled fast reactor severe accident analysis codes in China.
Investigations on the molten-pool sloshing behavior are of essential value for improving nuclear safety evaluation of Core Disruptive Accidents (CDA) that would be possibly encountered for Sodium-cooled Fast Reactors (SFR). This paper is aimed at synthesizing the knowledge from our recent studies on molten-pool sloshing behavior with solid particles conducted at the Sun Yat-sen University. To better visualize and clarify the mechanism and characteristics of sloshing induced by local Fuel-Coolant Interaction (FCI), experiments were performed with various parameters by injecting nitrogen gas into a 2-dimensional liquid pool with accumulated solid particles. It was confirmed that under different particle-bed conditions, three representative flow regimes (i.e. the bubble-impulsion dominant, transitional and bed-inertia dominant regimes) are identifiable. Aimed at predicting the regime transitions during sloshing process, a predictive empirical model along with a regime map was proposed on the basis of experiments using single-sized spherical solid particles, and then was extended for covering more complex particle conditions (e.g. non-spherical, mixed-sized and mixed-density spherical particle conditions). To obtain more comprehensive understandings and verify the applicability and reliability of the predictive model under more realistic conditions (e.g. large-scale 3-dimensional condition), further experimental and modeling studies are also being prepared under other more complicated actual conditions.
High-fidelity nuclear data libraries and neutronics simulation tools are essential for the development of fast reactors. The IAEA coordinated research project on "Neutronics Benchmark of CEFR Start-Up Tests" offers valuable data for the qualification of nuclear data libraries and neutronics codes. This paper focuses on the verification and validation of the CEFR start-up modelling using OpenMC Monte-Carlo code against the experimental measurements. The OpenMC simulation results agree well with the measurements in criticality, control rod worth, sodium void reactivity, temperature reactivity, subassembly swap reactivity, and reaction distribution. In feedback coefficient evaluations, an additional state method shows high consistency with lower uncertainty. Among 122 relative errors in the benchmark of the distribution of nuclear reaction, 104 errors are less than 10% and 84 errors are less than 5%. The results demonstrate the high reliability of OpenMC for its application in fast reactor simulations. In the companion paper, the influence of cross-section libraries is investigated using neutronics modelling in this paper.
The investigation of the utilization of enriched 208Pb as a coolant to enhance the performance of a long-life fast reactor with a Modified CANDLE (Constant Axial shape of Neutron flux, nuclide densities, and power shape During Life of Energy production) burnup scheme has performed. The analyzes were performed on a reactor with thermal power of 800 MegaWatt Thermal (MWTh) with a refueling process every 15 years. Uranium Nitride (enriched 15N), 208Pb, and High-Cr martensitic steel HT-9 were employed as fuel, coolant, and cladding materials, respectively. One of the Pb-nat isotopes, 208Pb, has the smallest neutron capture cross-section (0.23 mb) among other liquid metal coolants. Furthermore, the neutron-producing cross-section (n, 2n) of 208Pb is larger than sodium (Na). On the other hand, the inelastic scattering energy threshold of 208Pb is the highest among Na, natPb, and Bi. The small inelastic scattering cross-section of 208Pb can harden the neutron energy spectrum. Therefore, 208Pb is a better neutron multiplier than any other liquid metal coolant. The excess neutrons cause more production than consumption of 239Pu. Hence, it can reduce the initial fuel loading of the reactor. The selective photoreaction process was developing to obtain enriched 208Pb. The neutronic was calculated using SRAC and JENDL 4.0 as a nuclear data library. We obtained that the modified CANDLE reactor with enriched 208Pb as coolant and reflector has the highest k-eff among all reactors. Meanwhile, the natPb cooled reactor has the lowest k-eff. Thus, the utilization of the enriched 208Pb as the coolant can reduce reactor initial fuel loading. Moreover, the enriched 208Pb-cooled reactor has the smallest power peaking factor among all reactors. Therefore, the enriched 208Pb can enhance the performance of a long-life Modified CANDLE fast reactor.
The early localization of a fuel subassembly with a failed (wet rupture) fuel pin is very important in reactors to limit the associated radiological and operational consequences. This requires a fast and reliable system for failure detection and their localization in the core. In the Prototype Fast Breeder Reactor, the system specially designed for this purpose is Failed Fuel Location Modules (FFLM) housed in the control plug region. It identifies a failed sub-assembly by detecting the presence of delayed neutrons in the sodium from a failed sub-assembly. During the commissioning phase of PFBR, it is mandatory to demonstrate the FFLM effectiveness. The paper highlights the engineering and physics design aspects of FFLM and the integrated simulation towards its function demonstration with a source assembly containing a perforated metallic fuel pin. This test pin mimics a MOX pin of 1 cm2 of geometrical defect area. At 10% power and 20% sodium flow rate, the counts rate in the BCCs of FFLM system range from 75 cps to 145 cps depending upon the position of DN source assembly. The model developed for the counts simulation is applicable to both metal and MOX pins with proper values of k-factor and escape coefficient.
Narayanam, Sujatha Pavan;Kumar, Amit;Pujala, Usha;Subramanian, V.;Srinivas, C.V.;Venkatesan, R.;Athmalingam, S.;Venkatraman, B.
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.6
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pp.2077-2083
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2022
In the unlikely event of core disruptive accident in sodium cooled fast reactors, the reactor containment building would be bottled up with sodium and fission product aerosols. The behavior of these aerosols is crucial to estimate the in-containment source term as a part of nuclear reactor safety analysis. In this work, the evolution of sodium aerosol characteristics (mass concentration and size) is simulated using HAARM-S code. The code is based on the method of moments to solve the integro-differential equation. The code is updated to FORTRAN-77 and run in Microsoft FORTRAN PowerStation 4.0 (on Desktop). The sodium aerosol characteristics simulated by HAARM-S code are compared with the measured values at Aerosol Test Facility. The maximum deviation between measured and simulated mass concentrations is 30% at initial period (up to 60 min) and around 50% in the later period. In addition, the influence of humidity on aerosol size growth for two different aerosol mass concentrations is studied. The measured and simulated growth factors of aerosol size (ratio of saturated size to initial size) are found to be matched at reasonable extent. Since sodium is highly reactive with atmospheric constituents, the aerosol growth factor depends on the hygroscopic growth, chemical transformation and density variations besides coagulation. Further, there is a scope for the improvement of the code to estimate the aerosol dynamics in confined environment.
Lim, Do Kyun;Song, Min Seop;Chae, Hoon;Kim, Eung Soo
Nuclear Engineering and Technology
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v.51
no.5
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pp.1279-1288
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2019
The vortex-type fluidic diode (FD) is a key safety component for inherent safety in various advanced reactors such as the sodium fast reactor (SFR) and the molten salt reactor (MSR). In this study, topology optimization is conducted to optimize the design of the vortex-type fluidic diode. The optimization domain is simplified to 2-dimensional geometry for a tangential port and chamber. As a result, a design with a circular chamber and a restrictor at the tangential port is obtained. To verify the new design, experimental study and computational fluid dynamics (CFD) analysis were conducted for inlet Reynolds numbers between 2000 and 6000. However, the results show that the performance of the new design is no better than the original reference design. To analyze the cause of this result, detailed analysis is performed on the velocity and pressure field using flow visualization experiments and 3-D CFD analysis. The results show that the discrepancy between the optimization results in 2-D and the experimental results in 3-D originated from exclusion of an important pressure loss contributor in the optimization process. This study also concludes that the junction design of the axial port and chamber offers potential for improvement of fluidic diode performance.
Several countries show interest in the Generation-IV power reactor innovative small module (PRISM), including: Canada, Japan, Korea, Saudi Arabia and the United Kingdom. Generation IV International Forum (GIF) has recommended the utilizing of probabilistic safety assessment (PSA) in evaluating the safety of Generation-IV reactors. This paper reviews the PSA performed for PRISM using SAPHIRE 7.27 code. This work shows that the core damage frequency (CDF) of PRISM for a single module is estimated by 8.5E-8/year which is lower than the Generation-IV target that is 1E-6 core damage per year. The social risk of PRISM (likelihood of latent cancer fatality) with evacuation is estimated by 9.0E-12/year which is much lower than the basic safety objective (BSO) that is 1E-7/year. The social risk without evacuation is estimated by 1.2E- 11/year which is also much lower than the BSO. For the individual risk (likelihood of prompt fatality), it is concluded that it can be considered negligible with evacuation (1.0E-13/year). Assuming no evacuation, the individual risk is 2.7E-10/year which is again much lower than the BSO. In comparison with other PSAs performed for similar sodium fast reactors (SFRs), it shows that PRISM concept has the lowest CDF.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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