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.

Particle transport method for convection-diffusion-reaction problems

Convective transport, both pure and combined with diffusion and reaction, can be observed in a wide range of physical and industrial applications, such as heat and mass transfer, crystal growth or biomechanics. The numerical approximation of this class of problemscan present substantial difficulties clue to regions of high gradients (steep fronts) of the solution, where generation of spurious oscillations or smearing should be precluded. This work is devoted to the development of an efficient numerical technique to deal with pure linear convection and convection-dominated problems in the frame-work of convection-diffusion-reaction systems. The particle transport method, developed in this study, is based on using rneshless numerical particles which carry out the solution along the characteristics defining the convective transport. The resolution of steep fronts of the solution is controlled by a special spacial adaptivity procedure. The serni-Lagrangian particle transport method uses an Eulerian fixed grid to represent the solution. In the case of convection-diffusion-reaction problems, the method is combined with diffusion and reaction solvers within an operator splitting approach. To transfer the solution from the particle set onto the grid, a fast monotone projection technique is designed. Our numerical results confirm that the method has a spacial accuracy of the second order and can be faster than typical grid-based methods of the same order; for pure linear convection problems the method demonstrates optimal linear complexity. The method works on structured and unstructured meshes, demonstrating a high-resolution property in the regions of steep fronts of the solution. Moreover, the particle transport method can be successfully used for the numerical simulation of the real-life problems in, for example, chemical engineering.

Theoretical Analysis and Simulations of Vertically Vibrated Granular Materials

The dynamical properties ofshaken granular materials are important in many industrial applications where the shaking is used to mix, segregate and transport them. In this work asystematic, large scale simulation study has been performed to investigate the rheology of dense granular media, in the presence of gas, in a three dimensional vertical cylinder filled with glass balls. The base wall of the cylinder is subjected to sinusoidal oscillation in the vertical direction. The viscoelastic behavior of glass balls during a collision, have been studied experimentally using a modified Newton's Cradle device. By analyzing the results of the measurements, using numerical model based on finite element method, the viscous damping coefficient was determinedfor the glass balls. To obtain detailed information about the interparticle interactions in a shaker, a simplified model for collision between particles of a granular material was proposed. In order to simulate the flow of surrounding gas, a formulation of the equations for fluid flow in a porous medium including particle forces was proposed. These equations are solved with Large Eddy Simulation (LES) technique using a subgrid-model originally proposed for compressible turbulent flows. For a pentagonal prism-shaped container under vertical vibrations, the results show that oscillon type structures were formed. Oscillons are highly localized particle-like excitations of the granular layer. This self-sustaining state was named by analogy with its closest large-scale analogy, the soliton, which was first documented by J.S. Russell in 1834. The results which has been reportedbyBordbar and Zamankhan(2005b)also show that slightly revised fluctuation-dissipation theorem might apply to shaken sand, which appears to be asystem far from equilibrium and could exhibit strong spatial and temporal variations in quantities such as density and local particle velocity. In this light, hydrodynamic type continuum equations were presented for describing the deformation and flow of dense gas-particle mixtures. The constitutive equation used for the stress tensor provides an effective viscosity with a liquid-like character at low shear rates and a gaseous-like behavior at high shear rates. The numerical solutions were obtained for the aforementioned hydrodynamic equations for predicting the flow dynamics ofdense mixture of gas and particles in vertical cylindrical containers. For a heptagonal prism shaped container under vertical vibrations, the model results were found to predict bubbling behavior analogous to those observed experimentally. This bubbling behavior may be explained by the unusual gas pressure distribution found in the bed. In addition, oscillon type structures were found to be formed using a vertically vibrated, pentagonal prism shaped container in agreement with computer simulation results. These observations suggest that the pressure distribution plays a key rolein deformation and flow of dense mixtures of gas and particles under vertical vibrations. The present models provide greater insight toward the explanation of poorly understood hydrodynamic phenomena in the field of granular flows and dense gas-particle mixtures. The models can be generalized to investigate the granular material-container wall interactions which would be an issue of high interests in the industrial applications. By following this approach ideal processing conditions and powder transport can be created in industrial systems.

IP Telephony in Third Generation Mobile Systems: Transport Layer Dimensioning

Tämä diplomityö käsittelee kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmien kuljetuskerroksen mitoitusta. Nykyisten matkapuhelinverkkojen korvaajiksi suunnitellut kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmät tulevat yhdistämään perinteisen puhelinviestinnän ja uudenlaiset datapalvelut. Uudet verkot tulevat perustumaan pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon joka mahdollistaa molempien liikennetyyppien, puheen sekä datan, siirtämisen samassa verkossa. Tämän ratkaisun uskotaan tarjoavan paremmat mahdollisuudet uusien palvelujen luomiseen ja parantavan tiedonsiirtokapasiteettia. Siirtyminen pakettivälitteiseen tiedonsiirtoon aiheuttaa kuitenkin suuria muutoksia verkkoarkkitehtuurissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan tulevien runkoverkkojen mitoitukseen liittyviä näkökohtia sekä muodostetaan alustavia kuljetuskerroksen mitoitusohjeita. Diplomityö on tehty osaksi diplomi-insinöörin tutkintoa Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa. Työ on tehty Nokia Networksin palveluksessa Helsingissä, vuoden 2000 toisella puoliskolla.

Transport Resource Management within UMTS Radio Network Subsystem

Tällä hetkellä haastavin telekommunikaatioteollisuuden tutkimus – ja kehitystoiminta on keskittynyt kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmien ympärille. Järjestelmien standardointityössä on saatu aikaiseksi ensimmäiset vakaat spesifikaatioversiot ja kaupallista toimintaa ollaan parhaillaan aloittelemassa Japanissa ja Euroopassa. Eräs kolmannen sukupolven järjestelmistä on UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Tämä diplomityö antaa yleiskuvan UMTS järjestelmästä ja sen eri verkkoelementtien toiminnallisuuksista. Päähuomio on kiinnitetty radioverkkojärjestelmään (UMTS Terrestrial Radio Access Network) ja erityisesti sen radioaliverkkojärjestelmään (Radio Network Subsystem), joka koostuu radioverkonohjaimesta (Radio Network Controller) ja joukosta siihen kuuluvia tukiasemia (Node B). Radioverkonohjain ja tukiasemat on yhdistetty avoimen rajapinnan kautta jota kutsutaan Iub -rajapinnaksi. Rajapinta tarjoaa radioverkonohjaimelle mahdollisuuden kontrolloida tukiasemia signalointiviestien avulla ja mahdollistaa tehokkaan ja luotettavan käyttäjätiedon siirron radioaliverkkojärjestelmän sisällä. Tämän diplomityön pääasiallinen sisältö on siirtoresurssien hallinta Iub -rajapinnan ylitse. Työssä esitellään ja selitetään siirtoverkon arkkitehtuuri. Myös kaikki Iub:ssä sijaitsevat protokollat ja toiminnalliset yksiköt jotka vaikuttavat siirtoresurssien hallintaan esitellään ja kuvataan yksityiskohtaisesti. Päähuomio on kiinnitetty sovellusprotokolliin sekä rajapinnan siirtoverkko- että radioverkkokerroksella sekä näiden protokollien väliseen vuorovaikutukseen. Kyseiset protokollat ovat Node B Application Part (NBAP) ja Access Link Control Application Part (ALCAP). Työn toteutusosassa käydään lävitse NBAP –protokollan prototyypin ja Node B Manager –toiminnallisen yksikön prototyypin implementaatio.

Transmission properties of high barrier coated paperboard packages

High barrier materiaaleilla pyritään pidentämään pakattujen elintarvikkeiden hyllyikää. Barrierin tärkein tehtävä on elintarvikkeen suojaaminen hapelta ja kosteudelta. Alumiinin käyttöä barriermateriaalina pyritään vähentämään korvaamalla alumiini polymeereillä, jotka täyttävät elintarvikkeiden asettamat korkeat säilyvyysvaatimukset. Etyylivinyylialkoholin (EVOH) hapenläpäisevyys on kuivissa olosuhteissa alhaisin kaupallisista muovilaaduista. EVOH tarjoaa myös erinomaisen suojan muita kaasuja, rasvoja, hajuja ja aromeja vastaan ja sitä on helppo prosessoida. Polyamideilla on erinomainen kaasutiiveys sekä hyvä lujuus ja sitkeys. Eri muovilaatuja sekoittamalla voidaan vähentää hapenläpäisyä ja parantaa prosessointia. Polyolefiineja käytetään yleisesti päällystysmateriaaleina, koska ne suojaavat tuotetta erinomaisesti kosteudelta. Hapenläpäisyllä tarkoitetaan hapen kulkeutumista materiaalin läpi joko permeaation kautta tai reikien ja vuotojen läpi. Kaasun permeoitumiseen materiaalin läpi vaikuttavat materiaalin vapaa tilavuus, kiteisyysaste, orientaatio, substituointi, suhteellinen kosteus, lämpötila, barrierkerroksen paksuus, paine-ero ja permeoituvan molekyylin ominaisuudet. Kokeellisessa osassa analysoitiin ja vertailtiin kartonkipohjaisia mehutölkkejä, joissa käytettävät high barrier materiaalit olivat EVOH ja PA. Kartonkipohjaisia alumiinitölkkejä käytettiin referenssinä. Pakkausten hapenläpäisevyysmittauksissa saatiin samasta näytteestä toistettavia tuloksia, vaikka vuotomittauksissa saadut tulokset eivät olleet vertailukelpoisia hapenläpäisytulosten kanssa. Tölkkien valmistus vaikutti oleellisesti pakkausten tiiveysominaisuuksiin. Hapenläpäisy vuotojen ja reikien läpi oli merkittävämpää kuin hapenläpäisy materiaalin läpi. Pakkausten tiiveysominaisuuksia analysoitiin mittaamalla appelsiinimehun askorbiini-happopitoisuus. Askorbiinihapon hajoaminen mitattiin koetölkkeihin pakatusta appelsiinimehusta, ja lämpötilan, valon ja hapen vaikutusta askorbiinihapon hajoamiseen tutkittiin 12 viikon ajan. Lämpötilalla oli suurin vaikutus askorbiinihapon hajoamiseen huolimatta käytetystä pakkausmateriaalista.

Competitive Analysis of the Northwest Russian Transport Logistics Cluster – Finnish Perspective

Tutkimus tarkastelee Luoteis-Venäjän liikennelogistiikkaklusteria. Tarkoitus on selvittää klusterin nykyinen rakenne ja kilpailukyky sekä klusterin tarjoamat liiketoimintamahdollisuudet suomalaisille logistiikkayrityksille. Työssä käsitellään neljää perusliikennemuotoa: rautatie-, maantie-, meri- ja sisävesi-, sekä ilmaliikennettä. Tutkimuksen aineisto on kerätty tutkimusta varten laadituista kyselyistä, haastatteluista sekä aiemmin julkaistusta materiaalista. Venäjä on suunnitellut kehittävänsä voimakkaasti liikenneinfrastruktuuria, mm. julkaisemalla protektionistisen liikennestrategiasuunnitelman. Ongelmana ovat olleet toteutukset, jotka ovat jääneet yleensä puutteellisiksi. Tällä hetkellä todellista kilpailukykyä löytyy ainoastaan rautatieliikenteestä, muut kolme liikennemuotoa omaavat potentiaalisen kilpailukyvyn. Venäjällä on mahdollisuus hyötyä laajasta pinta-alastaan Aasian ja Euroopan liikenteen yhdistäjänä. Yksi konkreettisimmista esimerkeistä on Trans Siperian rautatie, joka kaipaisi vielä lisäkehitystä. Suomi on toiminut Venäjän liikenteessä arvotavaran kauttakulkumaana, vuonna 2003 noin 30–40 % Venäjän tuonnin arvosta kulki Suomen kautta. Venäjälle tullaan tuomaan arvotavaraa vielä useita vuosia, mutta reittien osalta kilpailu on tiukentunut. Suomalaisten yritysten liiketoimintamahdollisuuksiin esitetään kaksi mallia: kauttakulkuliikenteen lisäarvologistiset (VAL) operaatiot Suomessa tai etabloituminen Venäjän logistisiin ketjuihin. Suomalaisten olisi syytä parantaa yhteistyötään yritysten ja yliopistojen ym. koulutuslaitosten välillä. Myös yhteistyökumppaneiden hakeminen esimerkiksi Ruotsista voisi tuoda merkittäviä etuja. Suomalaista osaamista voitaisiin hyödyntää parhaiten etabloitumalla Venäjän markkinoille, esimerkiksi keskittymällä Venäjän logististen ketjujen johtamiseen. Myös VAL palveluiden johtamiseen Venäjällä olisi erittäin hyvä tilaisuus, koska Venäjän oma tietotaito logistiikassa ei ole vielä kehittynyt kansainväliselle tasolle, mutta kustannustaso on alhaisempi kuin Suomessa.

Industry Change in Transport Packaging Sector. Case: Eltete TPM Ltd

Tämän tutkielman tarkoituksena on selvittää suomalaisen kartonkikuljetuspakkausfirman, Eltete TPM Oy:n, tulevaisuudennäkymät selvittämällä voiko puisen kuljetuspakkausmateriaalin korvata kartonkisilla materiaaleilla. Kyseinen tutkimus suoritetaan selvittämällä toimialanmuutokseen vaikuttavia tekijöitä kuten ostokäyttäytymistä, innovaation ominaisuuksia, säädöksiä, kilpailuympäristöä sekä lopuksi tutkimalla mitä kuljetuspakkauksien asiakkaat haluavat ja tarvitsevat. Kyseisen tutkimuksen kohdeasiakkaiksi valittiin suurimmat kodinkoneyritykset Euroopassa ja tutkimusmenetelmäksi postikysely. Suoritetun markkinointitutkimuksen tulokset kodinkoneyritysten pakkausratkaisuista sekä kilpailija-analyysi osoittivat, että todella on olemassa kasvava kysyntä kierrätettäville kartonkisille kuljetuspakkausratkaisuille, kuten Eltete TPS - Framepack solution on, sekä että Eltete TPM Oy:llä on voimavaroja tulevaisuudessa nousta markkinajohtajaksi muuttuvalla kuljetuspakkaussektorilla.

Väylävirastojen hankkeen ja hankesalkun hallintaprosessien sovittaminen toiminnanohjausjärjestelmään

Tiehallinto ja Ratahallintokeskus (väylävirastot) ovat hankkineet yhteisen toiminnanohjausjärjestelmän. Työn tavoitteena on kuvata väylävirastojen hankkeen ja hankesalkun hallintaprosessit ja selvittää, onko väylävirastoille löydettävissä Sampo-järjestelmään yhtenäiset toimintamallit prosesseille, sekä määrittää virastoille yhteinen sanasto. Lisäksi työn tavoitteena on tutkia, millaisia menetelmiä ja malleja on olemassa toiminnanohjausjärjestelmän käyttöönottoprojektin läpiviemiseksi. Teoriaosuudessa tarkastellaan toiminnanohjausjärjestelmiä ja niiden käyttöönottoprosessimalleja sekä prosesseja ja niiden kuvaamista. Empiriaosuuden alussa tarkastellaan toteutus- ja käyttöönottoprojektin etenemistä teoriassa esitetyn mallin mukaisesti. Työssä kuvataan hankkeen ja hankesalkun hallintaprosessien nykytila, tavoitetila sekä järjestelmään sovittaminen. Väylävirastot löysivät yhtenäisen tavoitetilan. Prosessien sovittaminen järjestelmään on vielä kesken. Kesällä 2008 näytti siltä, että väylävirastojen yhtenäiset tavoitetilan prosessit saadaan sovitettua pienillä muutoksilla järjestelmään. Järjestelmä tuo toimintaan paljon muutoksia ja vaikutuksia. Kevään aikana yhtenäisen sanaston tärkeys korostui.

Modeling the transport phenomena within arterial wall: porous media approach

The transport of macromolecules, such as low-density lipoprotein (LDL), and their accumulation in the layers of the arterial wall play a critical role in the creation and development of atherosclerosis. Atherosclerosis is a disease of large arteries e.g., the aorta, coronary, carotid, and other proximal arteries that involves a distinctive accumulation of LDL and other lipid-bearing materials in the arterial wall. Over time, plaque hardens and narrows the arteries. The flow of oxygen-rich blood to organs and other parts of the body is reduced. This can lead to serious problems, including heart attack, stroke, or even death. It has been proven that the accumulation of macromolecules in the arterial wall depends not only on the ease with which materials enter the wall, but also on the hindrance to the passage of materials out of the wall posed by underlying layers. Therefore, attention was drawn to the fact that the wall structure of large arteries is different than other vessels which are disease-resistant. Atherosclerosis tends to be localized in regions of curvature and branching in arteries where fluid shear stress (shear rate) and other fluid mechanical characteristics deviate from their normal spatial and temporal distribution patterns in straight vessels. On the other hand, the smooth muscle cells (SMCs) residing in the media layer of the arterial wall respond to mechanical stimuli, such as shear stress. Shear stress may affect SMC proliferation and migration from the media layer to intima. This occurs in atherosclerosis and intimal hyperplasia. The study of blood flow and other body fluids and of heat transport through the arterial wall is one of the advanced applications of porous media in recent years. The arterial wall may be modeled in both macroscopic (as a continuous porous medium) and microscopic scales (as a heterogeneous porous medium). In the present study, the governing equations of mass, heat and momentum transport have been solved for different species and interstitial fluid within the arterial wall by means of computational fluid dynamics (CFD). Simulation models are based on the finite element (FE) and finite volume (FV) methods. The wall structure has been modeled by assuming the wall layers as porous media with different properties. In order to study the heat transport through human tissues, the simulations have been carried out for a non-homogeneous model of porous media. The tissue is composed of blood vessels, cells, and an interstitium. The interstitium consists of interstitial fluid and extracellular fibers. Numerical simulations are performed in a two-dimensional (2D) model to realize the effect of the shape and configuration of the discrete phase on the convective and conductive features of heat transfer, e.g. the interstitium of biological tissues. On the other hand, the governing equations of momentum and mass transport have been solved in the heterogeneous porous media model of the media layer, which has a major role in the transport and accumulation of solutes across the arterial wall. The transport of Adenosine 5´-triphosphate (ATP) is simulated across the media layer as a benchmark to observe how SMCs affect on the species mass transport. In addition, the transport of interstitial fluid has been simulated while the deformation of the media layer (due to high blood pressure) and its constituents such as SMCs are also involved in the model. In this context, the effect of pressure variation on shear stress is investigated over SMCs induced by the interstitial flow both in 2D and three-dimensional (3D) geometries for the media layer. The influence of hypertension (high pressure) on the transport of lowdensity lipoprotein (LDL) through deformable arterial wall layers is also studied. This is due to the pressure-driven convective flow across the arterial wall. The intima and media layers are assumed as homogeneous porous media. The results of the present study reveal that ATP concentration over the surface of SMCs and within the bulk of the media layer is significantly dependent on the distribution of cells. Moreover, the shear stress magnitude and distribution over the SMC surface are affected by transmural pressure and the deformation of the media layer of the aorta wall. This work reflects the fact that the second or even subsequent layers of SMCs may bear shear stresses of the same order of magnitude as the first layer does if cells are arranged in an arbitrary manner. This study has brought new insights into the simulation of the arterial wall, as the previous simplifications have been ignored. The configurations of SMCs used here with elliptic cross sections of SMCs closely resemble the physiological conditions of cells. Moreover, the deformation of SMCs with high transmural pressure which follows the media layer compaction has been studied for the first time. On the other hand, results demonstrate that LDL concentration through the intima and media layers changes significantly as wall layers compress with transmural pressure. It was also noticed that the fraction of leaky junctions across the endothelial cells and the area fraction of fenestral pores over the internal elastic lamina affect the LDL distribution dramatically through the thoracic aorta wall. The simulation techniques introduced in this work can also trigger new ideas for simulating porous media involved in any biomedical, biomechanical, chemical, and environmental engineering applications.

Externalities of Shipping in the Gulf of Finland until 2015

During the last few years, the discussion on the marginal social costs of transportation has been active. Applying the externalities as a tool to control transport would fulfil the polluter pays principle and simultaneously create a fair control method between the transport modes. This report presents the results of two calculation algorithms developed to estimate the marginal social costs based on the externalities of air pollution. The first algorithm calculates the future scenarios of sea transport traffic externalities until 2015 in the Gulf of Finland. The second algorithm calculates the externalities of Russian passenger car transit traffic via Finland by taking into account both sea and road transport. The algorithm estimates the ship-originated emissions of carbon dioxide (CO₂), nitrogen oxides (NO_x), sulphur oxides (SO_x), particulates (PM) and the externalities for each year from 2007 to 2015. The total NOx emissions in the Gulf of Finland from the six ship types were almost 75.7 kilotons (Table 5.2) in 2007. The ship types are: passenger (including cruisers and ROPAX vessels), tanker, general cargo, Ro-Ro, container and bulk vessels. Due to the increase of traffic, the estimation for NO_x emissions for 2015 is 112 kilotons. The NO_x emission estimation for the whole Baltic Sea shipping is 370 kilotons in 2006 (Stipa & al, 2007). The total marginal social costs due to ship-originated CO₂, NO_x, SO_x and PM emissions in the GOF were calculated to almost 175 million Euros in 2007. The costs will increase to nearly 214 million Euros in 2015 due to the traffic growth. The major part of the externalities is due to CO₂ emissions. If we neglect the CO2 emissions by extracting the CO₂ externalities from the results, we get the total externalities of 57 million Euros in 2007. After eight years (2015), the externalities would be 28 % lower, 41 million Euros (Table 8.1). This is the result of the sulphur emissions reducing regulation of marine fuels. The majority of the new car transit goes through Finland to Russia due to the lack of port capacity in Russia. The amount of cars was 339 620 vehicles (Statistics of Finnish Customs 2008) in 2005. The externalities are calculated for the transportation of passenger vehicles as follows: by ship to a Finnish port and, after that, by trucks to the Russian border checkpoint. The externalities are between 2 – 3 million Euros (year 2000 cost level) for each route. The ports included in the calculations are Hamina, Hanko, Kotka and Turku. With the Euro-3 standard trucks, the port of Hanko would be the best choice to transport the vehicles. This is because of lower emissions by new trucks and the saved transport distance of a ship. If the trucks are more polluting Euro 1 level trucks, the port of Kotka would be the best choice. This indicates that the truck emissions have a considerable effect on the externalities and that the transportation of light cargo, such as passenger cars by ship, produces considerably high emission externalities. The emission externalities approach offers a new insight for valuing the multiple traffic modes. However, the calculation of the marginal social costs based on the air emission externalities should not be regarded as a ready-made calculation system. The system is clearly in the need of some improvement but it can already be considered as a potential tool for political decision making.