Validation Studies of Thermal-hydraulic Code for Safety Analysis of Nuclear Power Plants

This thesis gives an overview of the validation process for thermal hydraulic system codes and it presents in more detail the assessment and validation of the French code CATHARE for VVER calculations. Three assessment cases are presented: loop seal clearing, core reflooding and flow in a horizontal steam generator. The experience gained during these assessment and validation calculations has been used to analyze the behavior of the horizontal steam generator and the natural circulation in the geometry of the Loviisa nuclear power plant. The cases presented are not exhaustive, but they give a good overview of the work performed by the personnel of Lappeenranta University of Technology (LUT). Large part of the work has been performed in co-operation with the CATHARE-team in Grenoble, France. The design of a Russian type pressurized water reactor, VVER, differs from that of a Western-type PWR. Most of thermal-hydraulic system codes are validated only for the Western-type PWRs. Thus, the codes should be assessed and validated also for VVER design in order to establish any weaknesses in the models. This information is needed before codes can be used for the safety analysis. Theresults of the assessment and validation calculations presented here show that the CATHARE code can be used also for the thermal-hydraulic safety studies for VVER type plants. However, some areas have been indicated which need to be reassessed after further experimental data become available. These areas are mostly connected to the horizontal stem generators, like condensation and phase separation in primary side tubes. The work presented in this thesis covers a large numberof the phenomena included in the CSNI code validation matrices for small and intermediate leaks and for transients. Also some of the phenomena included in the matrix for large break LOCAs are covered. The matrices for code validation for VVER applications should be used when future experimental programs are planned for code validation.

Effect of Noncondensable Gases on Circulation of Primary Coolant in Nuclear Power Plants in Abnormal Situations

The present study focuses on two effects of the presence of a noncondensable gas on the thermal-hydraulic behavior of thecoolant of the primary circuit of a nuclear reactor in the VVER-440 geometry inabnormal situations. First, steam condensation with the presence of air was studied in the horizontal tubes of the steam generator (SG) of the PACTEL test facility. The French thermal-hydraulic CATHARE code was used to study the heat transfer between the primary and secondary side in conditions derived from preliminary experiments performed by VTT using PACTEL. In natural circulation and single-phase vapor conditions, the injection of a volume of air, equivalent to the totalvolume of the primary side of the SG at the entrance of the hot collector, did not stop the heat transfer from the primary to the secondary side. The calculated results indicate that air is located in the second half-length (from the mid-length of the tubes to the cold collector) in all the tubes of the steam generator The hot collector remained full of steam during the transient. Secondly, the potential release of the nitrogen gas dissolved in the water of the accumulators of the emergency core coolant system of the Loviisa nuclear power plant (NPP) was investigated. The author implemented a model of the dissolution and release ofnitrogen gas in the CATHARE code; the model created by the CATHARE developers. In collaboration with VTT, an analytical experiment was performed with some components of PACTEL to determine, in particular, the value of the release time constant of the nitrogen gas in the depressurization conditions representative of the small and intermediate break transients postulated for the Loviisa NPP. Such transients, with simplified operating procedures, were calculated using the modified CATHARE code for various values of the release time constant used in the dissolution and release model. For the small breaks, nitrogen gas is trapped in thecollectors of the SGs in rather large proportions. There, the levels oscillate until the actuation of the low-pressure injection pumps (LPIS) that refill the primary circuit. In the case of the intermediate breaks, most of the nitrogen gas is expelled at the break and almost no nitrogen gas is trapped in the SGs. In comparison with the cases calculated without taking into account the release of nitrogen gas, the start of the LPIS is delayed by between 1 and 1.75 h. Applicability of the obtained results to the real safety conditions must take into accountthe real operating procedures used in the nuclear power plant.

On the Reversed Brayton Cycle with High Speed Machinery

This work was carried out in the laboratory of Fluid Dynamics, at Lappeenranta University of Technology during the years 1991-1996. The research was a part of larger high speed technology development research. First, there was the idea of making high speed machinery applications with the Brayton cycle. There was a clear need to deepen theknowledge of the cycle itself and to make a new approach in the field of the research. Also, the removal of water from the humid air seemed very interesting. The goal of this work was to study methods of designing high speed machinery to the reversed Brayton cycle, from theoretical principles to practical applications. The reversed Brayton cycle can be employed as an air dryer, a heat pump or a refrigerating machine. In this research the use of humid air as a working fluid has an environmental advantage, as well. A new calculation method for the Braytoncycle is developed. In this method especially the expansion process in the turbine is important because of the condensation of the water vapour in the humid air. This physical phenomena can have significant effects on the level of performance of the application. Also, the influence of calculating the process with actual, achievable process equipment efficiencies is essential for the development of the future machinery. The above theoretical calculations are confirmed with two different laboratory prototypes. The high speed machinery concept allows one to build an application with only one rotating shaft including all the major parts: the high speed motor, the compressor and the turbine wheel. The use of oil free bearings and high rotational speed outlines give several advantages compared to conventional machineries: light weight, compact structure, safe operation andhigher efficiency at a large operational region. There are always problems whentheory is applied to practice. The calibrations of pressure, temperature and humidity probes were made with care but still measurable errors were not negligible. Several different separators were examined and in all cases the content of the separated water was not exact. Due to the compact sizes and structures of the prototypes, the process measurement was slightly difficult. The experimental results agree well with the theoretical calculations. These experiments prove the operation of the process and lay a ground for the further development. The results of this work give very promising possibilities for the design of new, commercially competitive applications that use high speed machinery and the reversed Brayton cycle.

SB-lateksitehtaan päästöjen minimointi

Diplomityön tavoitteena oli löytää soveltuvimmat parhaaseen käytettävissä olevaan tekniikkaan perustuvat menetelmät SB-lateksitehtaan päästöjen käsittelemiseksi. Kirjallisuuslähteinä käytettiin Euroopan komission julkaisemia toimialakohtaisia BAT-julkaisuja. Lisäksi hyödynnettiin kemianteollisuudessa jo käytössä olevien menetelmien kokemusperäistä tietoa. Kokeellinen osan pohjaksi kartoitettiin merkittävät päästölähteet: kiinteät, nestemäiset ja kaasumaiset päästöt. Päästömittaukset olivat kvantitatiivisia, mutta mittauksissa kerättiin myös kvalitatiivista tietoa. Kirjallisen ja kokemusperäisen tiedon sekä päästöjen mittaustulosten perusteella valittiin soveltuvimmat päästöjenkäsittelyvaihtoehdot. Kiinteiden päästöjen määrään vaikuttaa eniten lateksin suodatusmenetelmän valinta. Nestemäisten päästöjen uudelleenkäyttö on tehokkain tapa minimoida päästöjä. Tehokkain tapa käsitellä orgaanisia jätevesiä on kolonnistrippaus. Lateksipitoisille jätevesille soveltuvin menetelmä on membraanitekniikka. Kaasuseospäästöille soveltuvin käsittelymenetelmä on terminen kammiopoltto. Yhden kemikaalin kaasupäästöjen käsittelyssä menetelmät perustuvat kondensointiin, paikallisiin suodattimiin ja kaasujen takaisinkierrätykseen riippuen kemikaalin ominaisuuksista.

Kationinvaihtohartsien hapetuskestävyys

Hyvin puhdasta vettä vaativissa sovelluksissa käytettävät kationinvaihtohartsit eivät saisi vuotaa puhdistettavaan veteen mitään vieraita aineita. Todellisuudessa hartsit kuitenkin vuotavat hyvin pieniä määriä erilaisia yhdisteitä käytön aikana. Aineet, joita kationinvaihtohartsi päästää veteen, ovat osaksi hartsin polymerointireaktion aikana sen rungon sisään jääneitä yhdisteitä. Nämä voidaan suurimmaksi osaksi poistaa pesemällä hartsia. Osittain niitä syntyy myös hartsin polystyreenidivinyylibentseenirungon (PS-DVB) hapettuessa. Hapettumisen seurauksena syntyneet yhdisteet ovat pääosin orgaanisia sulfonaatteja. Tämä työ koskee ydinvoimalaitoksissa käytettäviä pulverihartseja, joita käytetään primääripiirissä kiertävän lauhdeveden puhdistukseen ja jotka joutuvat siellä alttiiksi hapettumiselle. Yleensä hapettuminen on hidasta ja se johtuu veteen liuenneesta hapesta. Hapettuminen nopeutuu huomattavasti, jos vedessä on läsnä hapettimia tai siirtymämetalli-ioneja. Tällaisia hapettimia ovat esimerkiksi vetyperoksidi, otsoni, vapaa kloori, typpihappo ja kromi. Vetyperoksidin vaikutuksesta hartsin runkoon muodostuu hydroperoksidiryhmä, jonka hajoamisesta alkaa reaktioiden sarja, joka lopulta johtaa hartsin polymeerirungon katkeamiseen. Siirtymämetalli-ionit katalysoivat peroksidien hajoamista. Tavallisimpia hapetusta katalysoivia metalli-ioneja ovat rauta ja kupari, joiden katalyyttinen aktiivisuus on suuri. Tässä työssä pyrittiin selvittämään, onko mahdollista valmistaa hartseja, jotka kestävät hapettumista paremmin kuin nykyisin käytössä olevat hartsit. Sen tutkimiseksi tehtiin kiihdytettyjä hapetuskokeita käyttäen hapettimena vetyperoksidia ilman siirtymämetalli-ioni katalyyttejä. Hapetuskokeet tehtiin kaupallisesti saatavilla hartseilla ja uusilla työtä varten syntetisoiduilla koehartseilla. Hapetuskokeiden etenemistä seurattiin mittaamalla veteen liuenneiden orgaanisten aineiden kokonaismäärää (TOC-analyysi) ja liuoksessa esiintyvien orgaanisten sulfonaattien määrää johtokykymittauksin. Saadut tulokset antoivat viitteitä siitä, että hartsin synteesiolosuhteilla voi olla suurempi vaikutus sen hapetuskestävyyteen kuin synteesissä käytetyillä raaka-aineilla.

Paperikoneen kuivatusosan haihdutuksen tehostaminen

Tässä diplomityössä käsitellään paperikoneen kuivatusosan haihdutuksen tehostamista. Tutkimuksen aikana toteutettiin pienmittakaavakoe, ja suunniteltiin tuotantokonekoe. Molemmat kokeet perustuvat tutkimuksen aikana johdettuun teoriaan ja niiden tarkoituksena on kerätä lisää tietoa haihdutuksesta. Pienmittakaavakokeessa löydettiin uusi tapa tehostaa haihdutusta. Kokeen perusteella ei kuitenkaan voida varmuudella arvioida tavan hyötyjä ja soveltuvuutta tuotantokoneelle. Suositeltavaa onkin jatkossa toteuttaa työssä esitetty tuotantokonekoe, jotta auki jäävät kysymykset saavat vastauksensa ja saadaan selkeä käsitys uuden tavan hyödynnettävyydestä paperikoneen kuivatusosalla.

Passiivisten turvallisuusjärjestelmien luontaiset virhetoiminnot ydinvoimalaitoksessa

Uusissa ydinvoimalaitostyypeissä aiotaan käyttää aiempaa enemmän passiivisia turvallisuusjärjestelmiä. Näistä järjestelmistä on vielä vähän käyttökokemusta aktiivisiin turvallisuusjärjestelmiin verrattuna. Työssä tarkastellaan passiivisten turvallisuusjärjestelmien toimintaa sekä etsitään niiden mahdollisia luontaisia vikatilanteita. Luontaisten vikatilanteiden seurauksia järjestelmän suorituskykyyn arvioitiin yksinkertaisilla laskuilla ja mallintamalla RELAP5/MOD3.2.2 beta -termohydrauliikkaohjelmalla. Tarkastelu rajattiin kahden erityyppisen ydinvoimalaitoksen passiivisiin turvallisuusjärjestelmiin. Turvallisuusjärjestelmien suuntaa antavat mitat ja käyttötilanteiden parametrit saatiin laitosvalmistajien laitoskuvauksista. Osoittautui, että vikatilanteissa passiivisissa turvallisuusjärjestelmissä geometrialla on merkittävä vaikutus järjestelmän kapasiteettiin. Tarkasteluissa saatiin myös selville, että laitosmittakaavassa painovoimaisen hätälisävesijärjestelmän turvallisuustoiminto voi toteutua vaikka esiintyisi lyhytaikaisia toimintahäiriöitä, kuten lauhtumista hätälisävesisäiliössä. Sen sijaan lämmönsiirtopiirin virtausreittien tukkeutuminen voi olla fysikaalisesti merkittävä toimintaa haittaava tekijä.

Energian käyttö sahatavaran kuivauksessa

Sahatavaran tuotannossa käytetään runsaasti lämpöä ja sähköä. Sähköä käytetään pääasiassa sahausvaiheessa ja lämpöä kuivausvaiheessa. Sahatavarakuutiosta haihdutetaan vettä kuivaamoissa noin 230-600 kiloa. Sahatavara kuivataan, koska kuivattu sahatavara säilyy paremmin ja on lisäksi kevyempää, kestävämpää ja sen muodonmuutokset ovat pienempiä. Työssä käsiteltävällä sahalla on erääseen kanavakuivaamoon tehty koerakennelma, jonka avulla kuivaamosta poistettavan ilman sisältämää lämpöä hyödynnetään sahatavaran lämmittämisessä kuivauslämpötilaan kuormanvaihdon jälkeen. Energiansäästön lisäksi rakennelman toivotaan ehkäisevän kuormanvaihdosta aiheutuvia olosuhdemuutoksia kuivausprosessin muissa vaiheissa. Poistoilman sisältämä höyry lauhtuu lämmittäessään kylmää sahatavaraa. Lauhtumisen yhteydessä vapautuu runsaasti energiaa. Tehtyjen kokeiden perusteella koerakennelma vähensi lämmönkulutusta selvästi. Lämmönkulutuksen alenema oli jopa teorialaskelmaa suurempi, mistä syystä kokeellisessa osassa tehtyihin mittaustuloksiin on syytä suhtautua varauksella. Perinteisessä kuivaamossa kosteus poistuu pääasiassa vesihöyrynä, mutta koerakennelman avulla saadaan noin puolet puusta haihdutetusta vedestä lauhtumaan takaisin vedeksi.

Kostean höyryn paisunnan erityispiirteet ydinvoimalaitosten turbiineissa

Diplomityössä käsitellään ydinvoimalaitoksen kostean höyryn alueella toimivien höyryturbiinien toiminnan erityispiirteitä. Tarkemmin työssä keskitytään Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiiniprosessiin. Tavoitteena on selvittää veden tiivistymistä höyryvirrassa, sen erotusta höyrystä turbiineissa sekä määrittää laitokselle todellinen paisuntakäyrä. Työssä selvitettiin veden tiivistymistä höyryvirtaan kirjallisuuden ja prosessista saatujen tietojen perusteella. Lisäksi työssä tutustuttiin suurien nykyaikaisten kostean höyryn alueella toimivien turbiinien vedenerotukseen ja sen pohjalta arvioitiin Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiinin kosteudenerotusta. Näiden tietojen avulla saatiin mallinnettua kostean höyryn paisuntakäyrä Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiineille. Työssä perehdyttiin lisäksi ulosvirtauskanavan toimintaan. Diplomityön puitteissa ei perehdytty yksityiskohtaisesti veden tiivistymiseen höyryvirrassa, vaan aihe ansaitsee tarkempaa tutkimusta. Kosteuden erotustehokkuuden arviointi todellisessa prosessissa ilman mittauksista saatavaa tietoa on vaikeata, mutta toimenpiteisiin lisäinformaation saamiseksi Loviisan ydinvoimalaitoksen turbiiniprosessista on ryhdytty. Työssä tehtyjen selvitysten avulla saatiin arvokasta tietoa turbiinikoneikon toiminnasta ja sen tehokkuuden parantamisesta.

Lattiajäähdytyksen mitoitus ja säätö

Mitoitukseen on olemassa standardoitu laskentamenetelmä, mutta se ei yksistään ole riittävä jäähdytettävän lattiarakenteen suunnitteluun. Rakenteen lämpötilajakaumaa jäähdytystilanteessa tutkittiin lisäksi FDM-ohjelmistolla tehdyillä simuloinneilla. Lattiajäähdytyksessä kosteuden tiivistymisen riski ja mukavuustekijät rajoittavat käytettävissä olevaa lämpötilaa. Saavutettavissa olevan teho on puolestaan suoraan riippuvainen jäähdytettävän tilan ja jäähdyttävän pinnan välisestä lämpötilaerosta. Kirjallisuudesta, standardeista ja aiemmasta tutkimuksesta etsittiin tietoa jäähdytetyn lattian vaikutuksesta asumismukavuuteen sekä kosteusteknisessä mielessä käytettävissä oleva lämpötila-alue. Asuintiloissa lattiapinnan minimilämpötila on 19 °C, millä lattiarakenteesta ja materiaaleista riippuen päästään 20 - 30 W/m2 jäähdytystehoihin. Järjestelmän säätömahdollisuuksia selvitettiin kirjallisuudesta ja vaihtoehtoisia toteutustapoja, sekä niihin tarvittavia komponentteja on esitelty työn loppuosassa.  

Heating control of an electrical motor

Electrical motors on a ship attackable to different factors which decrease these lifetimes. One of the main external factors on a ship which usually is a reason of the motor failure is a moisture condensation which decreases the motor winding insulation and increase a probability of the short circuit. Therefore, the protection against moisture is necessary for ship electrical motors. The motor should be protected against moisture all time when it does not operate. The necessity of such protection requires a lot of energy consumption. This master’s thesis is focused on the creation of the electrical motor thermal model and on the different methods of the motor protection against moisture analysis with energy consumption point of view.

Karneval i klassrum – kunskap på hjul : en studie av elevers möten med clown analyserade med narrativ metod och poetisk etnografi

The aim of this study is to contribute to the knowledge about learning in and through art related to pupils’ study processes developing clown characters in secondary school. The pre understanding of this qualitative piece of micro ethnographic research is that the elaboration of clown has openness to play, creative activity and imagination. The art form clown inspires and motivates. The clown character creates a kind and friendly atmosphere, calls upon smile, which promotes learning. It is an art form promoting deep and personal reflection and evoking questions regarding identity formation. The pre understanding finally is that existential themes are brought to articulation in the art form clown. The problem formulation for the hermeneutic phenomenological study is an exploration of the meaning potential of an arts educational work with clown from the pupils’ as well as the teacher’s perspective. The study elaborates the following research questions: 1.) How are the pupils staging themselves in the work with clown? a) How are they constructing the clown character? b) How do they reflect upon their construction? c) What are the characteristics of the working process in the elaboration of clown? 2.) What is characteristic of the teacher’s contribution to the arts educational work? 3.) What is characteristic of the meaning making in the elaboration of clown? One group of 21 pupils and their drama teacher in a Swedish secondary school in six workshops (each one 90 minutes) elaborating the clown theme is the group under study through video observation, interviews, students’ logs and drawings, teacher log and researcher’s field notes. The theoretical framework comprises three perspectives on clown: a perspective on the culture of carnival, a drama education perspective and a performance perspective. Through a content analysis of texts about clown a set of characteristics for the clown is used as analytical concepts in the subsequent analysis of the pupils’ working process when they create three clown characters: August, the white clown and the bag lady. The results are presented as fictive narratives built on the video observations and the interviews. The presentation is brought to even more condensation through poetic ethnographic writing of haiku poems by the researcher. This ethnographic writing is idiomatic to the art form under study, and can be seen as a metaphorical meta commentary to the narratives. As a main result the researcher has developed a model describing the different aspects of the clown characters and the meaning potential of the clown as learning regarding exploration of identity and elaboration of existential questions regarding life, loneliness, love, religion and death.