APROS code benchmarking inboiling water reactor accident analyses

Diplomityö käsittelee kiehutusvesilaitosten transienttien ja onnettomuuksien analysointia APROS-ohjelmiston avulla. Työ on tehty Teollisuuden Voima Oy:n (TVO) Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden mallin pohjalta. Raportissa esitetään ohjelmiston käyttämiä yhtälöitäja laskentamalleja yleisellä tasolla. Työssä esitellään laitoksen yleispiirteet turvallisuustoimintoineen ja kuvataan ohjelmaan suureksi osaksi aiemmin luotua laskentamallia. Työssä on luetteloitu voimassa olevatlisensiointianalyysit, joiden joukosta on valittu laskentatapauksia ohjelmiston suorituskyvyn arviointia varten. Lisäksi työhön on valittu laskentatapauksia muilla kuin lisensointiin käytetyillä ohjelmilla lasketuista analyyseistä. Lisäksi on suoritettu vertailulaskuja konservatiivisen ja realistisen mallin erojen esille saamiseksi. Laskentatapauksia ovat mm. ylipainetransientti, jäähdytteen menetysonnettomuus ja oletettavissa oleva käyttöhäiriö, jossa pikasulku ei toimi (ATWS). Diplomityön edetessä laitosmallia on kehitetty edelleen lisäämällä joitakin järjestelmiä ja tarkentamalla joidenkin komponenttien kuvausta. Työssä ilmeni, että APROS soveltuu jäähdytteenmenetysonnettomuuden ja suojarakennuksen yhtäaikaiseen analyysiin. APROS.n vaste nopeisiin transientteihin jäi kuitenkin vertailutasosta. Tämän työn perusteella APROS-mallia kehitys jatkuu edelleen siten, että se soveltuisi entistä paremmin myös nopeiden transienttien ja ATWS-tilanteiden kuvaamiseen. Työssä olevaa lisensointianalyysien kuvausta tullaan käyttämään hyväksi selvitettäessä laitoksen turvallisuuden väliarviossa tarvittavien analyysien määrää ja laatua. Nyt saatuja kokemuksia voidaan hyödyntää myös mahdollisen kolmiulotteisen sydänmallin hankinnassa APROS-ohjelmistoon. Tässä diplomityössä esitettyjä parannuksia voidaan käyttää hyväksi SAFIRtutkimusohjelman hankkeiden suunnittelussa.

Experimental thermal hydraulic studies on the enhancement of safety of LWRs

The safe use of nuclear power plants (NPPs) requires a deep understanding of the functioning of physical processes and systems involved. Studies on thermal hydraulics have been carried out in various separate effects and integral test facilities at Lappeenranta University of Technology (LUT) either to ensure the functioning of safety systems of light water reactors (LWR) or to produce validation data for the computer codes used in safety analyses of NPPs. Several examples of safety studies on thermal hydraulics of the nuclear power plants are discussed. Studies are related to the physical phenomena existing in different processes in NPPs, such as rewetting of the fuel rods, emergency core cooling (ECC), natural circulation, small break loss-of-coolant accidents (SBLOCA), non-condensable gas release and transport, and passive safety systems. Studies on both VVER and advanced light water reactor (ALWR) systems are included. The set of cases include separate effects tests for understanding and modeling a single physical phenomenon, separate effects tests to study the behavior of a NPP component or a single system, and integral tests to study the behavior of the whole system. In the studies following steps can be found, not necessarily in the same study. Experimental studies as such have provided solutions to existing design problems. Experimental data have been created to validate a single model in a computer code. Validated models are used in various transient analyses of scaled facilities or NPPs. Integral test data are used to validate the computer codes as whole, to see how the implemented models work together in a code. In the final stage test results from the facilities are transferred to the NPP scale using computer codes. Some of the experiments have confirmed the expected behavior of the system or procedure to be studied; in some experiments there have been certain unexpected phenomena that have caused changes to the original design to avoid the recognized problems. This is the main motivation for experimental studies on thermal hydraulics of the NPP safety systems. Naturally the behavior of the new system designs have to be checked with experiments, but also the existing designs, if they are applied in the conditions that differ from what they were originally designed for. New procedures for existing reactors and new safety related systems have been developed for new nuclear power plant concepts. New experiments have been continuously needed.

Modelling of a Hydrogen Catalytic Recombiner for Nuclear Power Plant Containment Studies; Case: Siemens FR90/1-150 Recombiner in TONUS OD Code

Ydinvoimalaitokset on suunniteltu ja rakennettu niin, että niillä on kyky selviytyä erilaisista käyttöhäiriöistä ja onnettomuuksista ilman laitoksen vahingoittumista sekä väestön ja ympäristön vaarantumista. On erittäin epätodennäköistä, että ydinvoimalaitosonnettomuus etenee reaktorisydämen vaurioitumiseen asti, minkä seurauksena sydänmateriaalien hapettuminen voi tuottaa vetyä. Jäädytyspiirin rikkoutumisen myötä vety saattaa kulkeutua ydinvoimalaitoksen suojarakennukseen, jossa se voi muodostaa palavan seoksen ilman hapen kanssa ja palaa tai jopa räjähtää. Vetypalosta aiheutuvat lämpötila- ja painekuormitukset vaarantavat suojarakennuksen eheyden ja suojarakennuksen sisällä olevien turvajärjestelmien toimivuuden, joten tehokas ja luotettava vedynhallintajärjestelmä on tarpeellinen. Passiivisia autokatalyyttisiä vetyrekombinaattoreita käytetäänyhä useammissa Euroopan ydinvoimaitoksissa vedynhallintaan. Nämä rekombinaattorit poistavat vetyä katalyyttisellä reaktiolla vedyn reagoidessa katalyytin pinnalla hapen kanssa muodostaen vesihöyryä. Rekombinaattorit ovat täysin passiivisiaeivätkä tarvitse ulkoista energiaa tai operaattoritoimintaa käynnistyäkseen taitoimiakseen. Rekombinaattoreiden käyttäytymisen tutkimisellatähdätään niiden toimivuuden selvittämiseen kaikissa mahdollisissa onnettomuustilanteissa, niiden suunnittelun optimoimiseen sekä niiden optimaalisen lukumäärän ja sijainnin määrittämiseen suojarakennuksessa. Suojarakennuksen mallintamiseen käytetään joko keskiarvoistavia ohjelmia (Lumped parameter (LP) code), moniulotteisia virtausmalliohjelmia (Computational Fluid Dynamics, CFD) tai näiden yhdistelmiä. Rekombinaattoreiden mallintaminen on toteutettu näissä ohjelmissa joko kokeellisella, teoreettisella tai yleisellä (eng. Global Approach) mallilla. Tämä diplomityö sisältää tulokset TONUS OD-ohjelman sisältämän Siemens FR90/1-150 rekombinaattorin mallin vedynkulutuksen tarkistuslaskuista ja TONUS OD-ohjelmalla suoritettujen laskujen tulokset Siemens rekombinaattoreiden vuorovaikutuksista. TONUS on CEA:n (Commissariat à 1'En¬ergie Atomique) kehittämä LP (OD) ja CFD -vetyanalyysiohjelma, jota käytetään vedyn jakautumisen, palamisenja detonaation mallintamiseen. TONUS:sta käytetään myös vedynpoiston mallintamiseen passiivisilla autokatalyyttisillä rekombinaattoreilla. Vedynkulutukseen vaikuttavat tekijät eroteltiin ja tutkittiin yksi kerrallaan. Rekombinaattoreiden vuorovaikutuksia tutkittaessa samaan tilavuuteen sijoitettiin eri kokoisia ja eri lukumäärä rekombinaattoreita. Siemens rekombinaattorimalli TONUS OD-ohjelmassa laskee vedynkulutuksen kuten oletettiin ja tulokset vahvistavat TONUS OD-ohjelman fysikaalisen laskennan luotettavuuden. Mahdollisia paikallisia jakautumia tutkitussa tilavuudessa ei voitu havaita LP-ohjelmalla, koska se käyttäälaskennassa suureiden tilavuuskeskiarvoja. Paikallisten jakautumien tutkintaan tarvitaan CFD -laskentaohjelma.

Turvallisuustoimintojen käyttö ydinvoimalaitoksilla

Tässä diplomityössä tarkastellaan turvallisuustoiminto-käsitteen määrittelyä ja käyttöä osana ydinvoimalaitosten turvallisuuden varmistamista. Työssä kuvataan paine- ja kiehutusvesilaitosten toiminnan yleispiirteet, sekä Teollisuuden Voima Oy:n (TVO) laitosten Olkiluoto 1 & 2 sekä Olkiluoto 3 tarkempi turvallisuustoiminta turvallisuusjärjestelmien ja -automaation osalta. Työssä esitellään eräs tapa määrittää turvallisuustoimintoja. Malli perustuu hierarkkiseen rakenteeseen, jossa ylimpänä ovat laitostason turvallisuustoiminnot ja alimpana turvallisuustoimintoihin osallistuvien laitteiden ja niiden osien toiminnot. Turvallisuustoimintoja on mahdollista käyttää ydinvoimalaitoksen turvallisuusluokituksen tekemiseen ja perustelemiseen. Turvallisuustoiminto kertoo suoraan luokiteltavan kohteen turvallisuusmerkityksen. Kohteen turvallisuusmerkityksen selvittäminen, eli liittäminen turvallisuustoimintoon, voi olla vaikeaa. Turvallisuustoimintoja on myös mahdollista käyttää laitoksen turvallisuusautomaation riittävän varmistamisen (mm. redundanttisuus, diversiteetti ja erotus) osoittamiseen erityisesti ohjelmoitavan automaation yhteydessä. Turvallisuustoimintoja voidaan hyödyntää laitoksen hätätilanneohjeiden kehittämisessä ja myös laitoksenmuun turvallisuusdokumentaation selkeyttämisessä. Työn tuloksena kehitettiin käyville laitoksille (OL1 & 2) aikaisempaa kattavammat turvallisuustoiminnot. Lisäksi tarkasteltiin rakenteilla olevalle laitokselle (OL3) määriteltyjä turvallisuustoimintoja.

Reaktoreiden termisen tehon laskennan epävarmuuksien kartoitus

Diplomityössä selvitettiin Fortum Power and Heat Oy:n Loviisan VVER-440 painevesireaktorilaitosten termisen tehon laskentaan liittyviä epävarmuuksia. Laitoksen turvallisuusteknisissä käyttöehdoissa (TTKE) määrätään reaktorin suurimmaksi sallituksi lämpötehoksi 1500 MW. Tähän perustuen haluttiin selvittää nykyiseen RT1 laskentaan liittyvät epävarmuudet tarkastamalla nykyinen laskenta ja siinä käytetyt termohydrauliset laskentasovitteet. Työn alussa selostetaan lyhyesti Loviisan voimalaitoksen toimintaperiaate, jonka jälkeen esitellään laskentaan osallistuvat prosessimittaukset ja niihin liittyvät epävarmuustekijät. Mittauksille määritettiin epävarmuudet käyttäen hyödyksi komponenttivalmistajien tietoja sekä laitoksen kalibrointitodistuksia ja näiden lisäksi laskettiin standardin mukainen virhe virtauslaipoille. Edellä mainittujen virheiden perusteella voitiin laskea tehon epävarmuudet yksittäiselle höyrystimelle, josta edelleen varianssien summamenetelmällä saatiin reaktorin termiselle teholle 0,78 %:n epävarmuus 95 % luottamustasolla. Laskettua tehon epävarmuutta verrattiin Monte Carlo -menetelmällä suoritettuun tarkistuslaskentaan, jolla termisen tehon epävarmuudeksi saatiin 0,53 %, luottamustason ollessa 95 %. Työssä tarkasteltiin keskiarvotuksen vaikutusta mittausdataan. Näissä tarkasteluissa havaittiin pinnansäädöstä aiheutuva reaktoritehon huojunta, joka oli työn merkittävin havainto.

Painevesilaitosten höyrystinkonstruktioiden vertailu

Tässä kirjallisuustyössä tutustutaan kolmeen kaupallisissa painevesilaitoksissa käytettyyn höyrystinkonstruktioon: U-putkipystyhöyrystimeen, U-putkivaakahöyrystimeen ja läpivirtaushöyrystimeen. Työssä tutustutaan näiden ratkaisujen erityispiirteisiin ja vertaillaan niitä keskenään.

Passiiviset turvallisuusjärjestelmät kolmannen sukupolven painevesireaktorilaitoksissa

Kandidaatintutkielmassa esitellään kolmannen sukupolven painevesireaktorilaitosten passiivisia turvallisuusjärjestelmiä.

Kiehutusvesireaktorien polttoaineen kehityskaari

Tässä kirjallisuustyössä tutustutaan kiehutusvesireaktorien polttoainenipun kehitykseen. Työssä esitellään kolmen suurimman polttoainenippuvalmistajan polttoainemalleja ja muutoksia polttoainenippumallien välillä.

Kiehutusvesireaktorien polttoaineen kehityskaari

Tässä kirjallisuustyössä tutustutaan kiehutusvesireaktorien polttoainenipun kehitykseen. Työssä esitellään kolmen suurimman polttoainenippuvalmistajan polttoainemalleja ja muutoksia polttoainenippumallien välillä.

CFD Modelling of Direct Contact Condensation in Suppression Pools by Applying Condensation Models of Separated Flow

The condensation rate has to be high in the safety pressure suppression pool systems of Boiling Water Reactors (BWR) in order to fulfill their safety function. The phenomena due to such a high direct contact condensation (DCC) rate turn out to be very challenging to be analysed either with experiments or numerical simulations. In this thesis, the suppression pool experiments carried out in the POOLEX facility of Lappeenranta University of Technology were simulated. Two different condensation modes were modelled by using the 2-phase CFD codes NEPTUNE CFD and TransAT. The DCC models applied were the typical ones to be used for separated flows in channels, and their applicability to the rapidly condensing flow in the condensation pool context had not been tested earlier. A low Reynolds number case was the first to be simulated. The POOLEX experiment STB-31 was operated near the conditions between the ’quasi-steady oscillatory interface condensation’ mode and the ’condensation within the blowdown pipe’ mode. The condensation models of Lakehal et al. and Coste & Lavi´eville predicted the condensation rate quite accurately, while the other tested ones overestimated it. It was possible to get the direct phase change solution to settle near to the measured values, but a very high resolution of calculation grid was needed. Secondly, a high Reynolds number case corresponding to the ’chugging’ mode was simulated. The POOLEX experiment STB-28 was chosen, because various standard and highspeed video samples of bubbles were recorded during it. In order to extract numerical information from the video material, a pattern recognition procedure was programmed. The bubble size distributions and the frequencies of chugging were calculated with this procedure. With the statistical data of the bubble sizes and temporal data of the bubble/jet appearance, it was possible to compare the condensation rates between the experiment and the CFD simulations. In the chugging simulations, a spherically curvilinear calculation grid at the blowdown pipe exit improved the convergence and decreased the required cell count. The compressible flow solver with complete steam-tables was beneficial for the numerical success of the simulations. The Hughes-Duffey model and, to some extent, the Coste & Lavi´eville model produced realistic chugging behavior. The initial level of the steam/water interface was an important factor to determine the initiation of the chugging. If the interface was initialized with a water level high enough inside the blowdown pipe, the vigorous penetration of a water plug into the pool created a turbulent wake which invoked the chugging that was self-sustaining. A 3D simulation with a suitable DCC model produced qualitatively very realistic shapes of the chugging bubbles and jets. The comparative FFT analysis of the bubble size data and the pool bottom pressure data gave useful information to distinguish the eigenmodes of chugging, bubbling, and pool structure oscillations.

Development of laboratory exercises for basic nuclear thermal hydraulics measurements

The thesis focuses on light water reactors (pressurized water reactors, boiling water reactors) and measurement techniques for basic thermal hydraulics parameters that are used in a nuclear power plant. The goal of this work is a development of laboratory exercises for basic nuclear thermal hydraulics measurements.

Removal of Cadmium, Lead and Arsenic from Water by Lactic Acid Bacteria

A number of contaminants such as arsenic, cadmium and lead are released into the environment from natural and anthropogenic sources contaminating food and water. Chronic oral ingestion of arsenic, cadmium and lead is associated with adverse effects in the skin, internal organs and nervous system. In addition to conventional methods, biosorption using inactivated biomasses of algae, fungi and bacteria has been introduced as a novel method for decontamination of toxic metals from water. The aim of this work was to evaluate the applicability of lactic acid bacteria as tools for heavy metal removal from water and characterize their properties for further development of a biofilter. The results established that in addition to removal of mycotoxins, cyanotoxins and heterocyclic amines, lactic acid bacteria have a capacity to bind cationic heavy metals, cadmium and lead. The binding was found to be dependent on the bacterial strain and pH, and occurred rapidly on the bacterial surface, but was reduced in the presence of other cationic metals. The data demonstrates that the metals were bound by electrostatic interactions to cell wall components. Transmission electron micrographs showed the presence of lead deposits on the surface of biomass used in the lead binding studies, indicating involvement of another uptake/binding mechanism. The most efficient strains bound up to 55 mg Cd and 176 mg Pb / g dry biomass. A low removal of anionic As(V) was also observed after chemical modification of the cell wall. Full desorption of bound cadmium and lead using either dilute HNO₃ or EDTA established the reversibility of binding. Removal of both metals was significantly reduced when biomass regenerated with EDTA was used. Biomass regenerated with dilute HNO3 retained its cadmium binding capacity well, but lead binding was reduced. The results established that the cadmium and lead binding capacity of lactic acid bacteria, and factors affecting it, are similar to what has been previously observed for other biomasses used for the same purpose. However, lactic acid bacteria have a capacity to remove other aqueous contaminants such as cyanotoxins, which may give them an additional advantage over the other alternatives. Further studies focusing on immobilization of biomass and the removal of several contaminants simultaneously using immobilized bacteria are required.

EDTA- and DTPA-functionalized silica gel and chitosan adsorbents for the removal of heavy metals from aqueous solutions

Adsorbents functionalized with chelating agents are effective in removal of heavy metals from aqueous solutions. Important properties of such adsorbents are high binding affinity as well as regenerability. In this study, aminopolycarboxylic acid, EDTA and DTPA, were immobilized on the surface of silica gel, chitosan, and their hybrid materials to achieve chelating adsorbents for heavy metals such as Co(II), Ni(II), Cd(II), and Pb(II). New knowledge about the adsorption properties of EDTA- and DTPA-functionalizedadsorbents was obtained. Experimental work showed the effectiveness, regenerability, and stability of the studied adsorbents. Both advantages and disadvantages of the adsorbents were evaluated. For example, the EDTA-functionalized chitosan-silica hybrid materials combined the benefits of the silica gel and chitosan while at the same time diminishing their observed drawbacks. Modeling of adsorption kinetics and isotherms is an important step in design process. Therefore, several kinetic and isotherm models were introduced and applied in this work. Important aspects such as effect of error function, data range, initial guess values, and linearization were discussed and investigated. The selection of the most suitable model was conducted by comparing the experimental and simulated data as well as evaluating the correspondence between the theory behind the model and properties of the adsorbent. In addition, modeling of two-component data was conducted using various extended isotherms. Modeling results for both one- and twocomponent systems supported each other. Finally, application testing of EDTA- and DTPA-functionalized adsorbents was conducted. The most important result was the applicability of DTPA-functionalized silica gel and chitosan in the capturing of Co(II) from its aqueous EDTA-chelate. Moreover, these adsorbents were efficient in various solution matrices. In addition, separation of Ni(II) from Co(II) and Ni(II) and Pb(II) from Co(II) and Cd(II) was observed in two- and multimetal systems. Lastly, prior to their analysis, EDTA- and DTPA-functionalized silica gels were successfully used to preconcentrate metal ions from both pure and salty waters

Pasvik Water Quality Report Environmental Monitoring Programme in the Norwegian, Finnish and Russian Border Area

The Pasvik monitoring programme was created in 2006 as a result of the trilateral cooperation, and with the intention of following changes in the environment under variable pollution levels. Water quality is one of the basic elements of the Programme when assessing the effects of the emissions from the Pechenganikel mining and metallurgical industry (Kola GMK). The Metallurgic Production Renovation Programme was implemented by OJSC Kola GMK to reduce emissions of sulphur and heavy metal concentrated dust. However, the expectations for the reduction in emissions from the smelter in the settlement Nikel were not realized. Nevertheless, Kola GMK has found that the modernization programme’s measures do not provide the planned reductions of sulfur dioxide emissions. In this report, temporal trends in water chemistry during 2000–2009 are examined on the basis of the data gathered from Lake Inari, River Pasvik and directly connected lakes, as well as from 26 small lakes in three areas: Pechenganikel (Russia), Jarfjord (Norway) and Vätsäri (Finland). The lower parts of the Pasvik watercourse are impacted by both atmospheric pollution and direct wastewater discharge from the Pechenganikel smelter and the settlement of Nikel. The upper section of the watercourse, and the small lakes and streams which are not directly linked to the Pasvik watercourse, only receive atmospheric pollution. The data obtained confirms the ongoing pollution of the river and water system. Copper (Cu), nickel (Ni) and sulphates are the main pollution components. The highest levels were observed close to the smelters. The most polluted water source of the basin is the River Kolosjoki, as it directly receives the sewage discharge from the smelters and the stream connecting the Lakes Salmijarvi and Kuetsjarvi. The concentrations of metals and sulphates in the River Pasvik are higher downstream from the Kuetsjarvi Lake. There has been no fall in the concentrations of pollutants in Pasvik watercourse over the last 10 years. Ongoing recovery from acidification has been evident in the small lakes of the Jarfjord and Vätsäri areas during the 2000s. The buffering capacity of these lakes has improved and the pH has increased. The reason for this recovery is that sulphate deposition has decreased, which is also evident in the water quality. However, concentrations of some metals, especially Ni and Cu, have risen during the 2000s. Ni concentrations have increased in all three areas, and Cu concentrations in the Pechenganickel and Jarfjord areas, which are located closer to the smelters. Emission levels of Ni and Cu did not fall during 2000s. In fact, the emission levels of Ni compounds even increased compared to the 1990s.