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.
이 글에서는 제4세대(Generation-IV) 원자로시스템의 자원활용 측면에서 핵연료 주기와 관련하여 새롭게 부각되고 있는 소듐냉각고속로(SFR: Sodium-cooled Fast Reactor)의 개발 목적 및 설계 특성을 기술하고 원자로 구조관점에서 가압경수로(PWR)와 비교 설명한다.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.10
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pp.1251-1259
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2013
In this study, high temperature design and creep-fatigue damage evaluation of a decay heat exchanger (DHX) in the decay heat removal systems of a sodium-cooled fast reactor (SFR) have been performed. Detail design and 3D finite element analysis have been conducted for the DHXs to be installed in active and passive decay heat removal systems in Korean Generation IV SFR, and the DHX installed in the STELLA-1(Sodium integral effect test loop for safety simulation and assessment) at KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute). Evaluations of creep-fatigue damage based on full 3D finite element analyses were conducted for the two Mod.9Cr-1Mo steel heat exchangers according to the elevated temperature design codes of ASME Section III Subsection NH and RCC-MR code. Code comparisons were made based on the creep-fatigue damage evaluation and issues on conservatisms of the design codes were discussed.
Lee, Seong Hyeon;Lee, Jae Han;Kim, Sung Kyun;Kim, Jong Bum;Kim, Tae Wan
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.8
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pp.1847-1861
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2020
A design study was performed to improve the limit aseismic performance (LSP) of a primary heat transport system (PHTS) pump. This pump is part of the primary equipment of a prototype generation IV sodium-cooled fast reactor (PGSFR). The LSP is the maximum allowable seismic load that still ensures structural integrity. To calculate the LSP of the PHTS pump, a structural analysis model of the pump was developed and its dynamic characteristics were obtained by modal analysis. The floor response spectrum (FRS) initiated from a safety shutdown earthquake (SSE), 0.3 g, was applied to the support points of the PHTS pump, and then the seismic induced stresses were calculated. The structural integrity was evaluated according to the ASME code, and the LSP of the PHTS pump was calculated from the evaluation results. Based on the results of the modal analysis and LSP of the PHTS pump, design parameters affecting the LSP were selected. Then, ways to improve the LSP were proposed from sensitivity analysis of the selected design variables.
Chang, Seok-Kyu;Euh, Dong-Jin;Choi, Hae Seob;Kim, Hyungmo;Choi, Sun Rock;Lee, Hyeong-Yeon
Nuclear Engineering and Technology
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v.48
no.2
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pp.376-385
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2016
A hexagonally arrayed 37-pin wire-wrapped rod bundle has been chosen to provide the experimental data of the pressure loss and flow rate in subchannels for validating subchannel analysis codes for the sodium-cooled fast reactor core thermal/hydraulic design. The iso-kinetic sampling method has been adopted to measure the flow rate at subchannels, and newly designed sampling probes which preserve the flow area of subchannels have been devised. Experimental tests have been performed at 20-115% of the nominal flow rate and $60^{\circ}C$ (equivalent to Re ~ 37,100) at the inlet of the test rig. The pressure loss data in three measured subchannels were almost identical regardless of the subchannel locations. The flow rate at each type of subchannel was identified and the flow split factors were evaluated from the measured data. The predicted correlations and the computational fluid dynamics results agreed reasonably with the experimental data.
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.
Jae Hyun Choi;Jung Yoon;Sungkun Chung;Namhyeong Kim;HangJin Jo
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.7
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pp.2697-2711
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2023
In this study, the validity of reducing the number of gas turbine stages designed for a nitrogen Brayton cycle coupled to a sodium-cooled fast reactor was assessed. The turbine performance was evaluated through computational fluid dynamics (CFD) simulations under different off-design conditions controlled by a reduced flow rate and reduced rotational speed. Two different multistage gas turbines designed to extract almost the same specific work were selected: two- and three-stage turbines (mid-span stage loading coefficient: 1.23 and 1.0, respectively). Real gas properties were considered in the CFD simulation in accordance with the Peng-Robinson's equation of state. According to the CFD results, the off-design performance of the two-stage turbine is comparable to that of the three-stage turbine. Moreover, compared to the three-stage turbine, the two-stage turbine generates less entropy across the shock wave. The results indicate that under both design and off-design conditions, increasing the stage loading coefficient for a fewer number of turbine stages is effective in terms of performance and size. Furthermore, the Ellipse law can be used to assess off-design performance and increasing exponent of the expansion ratio term better predicts the off-design performance with a few stages (two or three).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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