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.

Formation and Control of Trace Metal Emissions in Co-Firing of Biomass, Peat, and Wastes in Fluidised Bed Combustors

Environmentally harmful consequences of fossil fuel utilisation andthe landfilling of wastes have increased the interest among the energy producers to consider the use of alternative fuels like wood fuels and Refuse-Derived Fuels, RDFs. The fluidised bed technology that allows the flexible use of a variety of different fuels is commonly used at small- and medium-sized power plants ofmunicipalities and industry in Finland. Since there is only one mass-burn plantcurrently in operation in the country and no intention to build new ones, the co-firing of pre-processed wastes in fluidised bed boilers has become the most generally applied waste-to-energy concept in Finland. The recently validated EU Directive on Incineration of Wastes aims to mitigate environmentally harmful pollutants of waste incineration and co-incineration of wastes with conventional fuels. Apart from gaseous flue gas pollutants and dust, the emissions of toxic tracemetals are limited. The implementation of the Directive's restrictions in the Finnish legislation is assumed to limit the co-firing of waste fuels, due to the insufficient reduction of the regulated air pollutants in the existing flue gas cleaning devices. Trace metals emission formation and reduction in the ESP, the condensing wet scrubber, the fabric filter, and the humidification reactor were studied, experimentally, in full- and pilot-scale combustors utilising the bubbling fluidised bed technology, and, theoretically, by means of reactor model calculations. The core of the model is a thermodynamic equilibrium analysis. The experiments were carried out with wood chips, sawdust, and peat, and their refuse-derived fuel, RDF, blends. In all, ten different fuels or fuel blends were tested. Relatively high concentrations of trace metals in RDFs compared to the concentrations of these metals in wood fuels increased the trace metal concentrations in the flue gas after the boiler ten- to hundred-folds, when RDF was co-fired with sawdust in a full-scale BFB boiler. In the case of peat, lesser increase in trace metal concentrations was observed, due to the higher initial trace metal concentrations of peat compared to sawdust. Despite the high removal rate of most of the trace metals in the ESP, the Directive emission limits for trace metals were exceeded in each of the RDF co-firing tests. The dominat trace metals in fluegas after the ESP were Cu, Pb and Mn. In the condensing wet scrubber, the flue gas trace metal emissions were reduced below the Directive emission limits, whenRDF pellet was used as a co-firing fuel together with sawdust and peat. High chlorine content of the RDFs enhanced the mercuric chloride formation and hence the mercury removal in the ESP and scrubber. Mercury emissions were lower than theDirective emission limit for total Hg, 0.05 mg/Nm3, in all full-scale co-firingtests already in the flue gas after the ESP. The pilot-scale experiments with aBFB combustor equipped with a fabric filter revealed that the fabric filter alone is able to reduce the trace metal concentrations, including mercury, in the flue gas during the RDF co-firing approximately to the same level as they are during the wood chip firing. Lower trace metal emissions than the Directive limits were easily reached even with a 40% thermal share of RDF co-firing with sawdust.Enrichment of trace metals in the submicron fly ash particle fraction because of RDF co-firing was not observed in the test runs where sawdust was used as the main fuel. The combustion of RDF pellets with peat caused an enrichment of As, Cd, Co, Pb, Sb, and V in the submicron particle mode. Accumulation and release oftrace metals in the bed material was examined by means of a bed material analysis, mass balance calculations and a reactor model. Lead, zinc and copper were found to have a tendency to be accumulated in the bed material but also to have a tendency to be released from the bed material into the combustion gases, if the combustion conditions were changed. The concentration of the trace metal in the combustion gases of the bubbling fluidised bed boiler was found to be a summary of trace metal fluxes from three main sources. They were (1) the trace metal flux from the burning fuel particle (2) the trace metal flux from the ash in the bed, and (3) the trace metal flux from the active alkali metal layer on the sand (and ash) particles in the bed. The amount of chlorine in the system, the combustion temperature, the fuel ash composition and the saturation state of the bed material in regard to trace metals were discovered to be key factors affecting therelease process. During the co-firing of waste fuels with variable amounts of e.g. ash and chlorine, it is extremely important to consider the possible ongoingaccumulation and/or release of the trace metals in the bed, when determining the flue gas trace metal emissions. If the state of the combustion process in regard to trace metals accumulation and/or release in the bed material is not known,it may happen that emissions from the bed material rather than the combustion of the fuel in question are measured and reported.

Safety Culture and Maritime Personnel’s Safety Attitudes: Interview Report

”METKU –projektissa” (Merenkulun turvallisuuskulttuurin kehittäminen) tutkitaan kansainvälisen turvallisuusjohtamiskoodin (ISM-koodin) vaikutuksia merenkulun turvallisuuteen ja etsitään kehittämiskohteita merenkulun turvallisuusjohtamisen parantamiseksi. Tämä haastatteluraportti on laadittu METKU –projektin yhteistyössä työpakettien 1 ja 2 kesken. Tähän raporttiin haastateltiin yhteensä 94 merenkulun ammattilaista. Suurimman osan haastateltavista muodostivat aktiiviset merenkulkijat: miehistön jäsenet, päällystö ja alusten päälliköt. Haastattelukohteena oli seitsemän suomalaista varustamoa. Haastatteluissa kerättiin merenkulkijoiden kokemuksia ja mielipiteitä ISM-koodin vaikutuksesta heidän käytännön työhönsä. Suomalaiset merenkulkijat uskovat, että tänä päivänä varustamoiden johtajat ovat hyvin sitoutuneita turvallisuuteen. Myös miehistön asenteet turvallisuuteen ovat ISM-koodin käytön myötä parantuneet. Haasteltavien yhteinen huoli kohdistui jatkuvan parantamisen toimivuuteen. Kaikki haastatellut ryhmät olivat samaa mieltä siitä, että poikkeamien raportointi ei ISMkoodin vaatimuksesta huolimatta toimi kunnolla. ISM-koodin käyttöön otosta on ollut merenkululle selkeää hyötyä. Haastateltavat esittivät hyötyinä parantuneen yhteistyön ja tiedonkulun alusten ja varustamon välillä sekä sen, että merenkulun toiminnan laatu on parantunut. Monet haastateltavat korostivat, että ISM-koodin selkeät turvallisuusvastuut yhtiölle on ollut merkittävä hyöty. Itse ISM-koodiin merenkulkijoilla ei ollut juurikaan huomauttamista. Sen sijaan turvallisuusjohtamisen käytännön toteutuksessa nähtiin parantamisen varaa. ISMkoodin aiheuttamina ongelmina mainittiin mm. lisääntynyt byrokratia ja liian monimutkaiset ja yksityiskohtaiset turvallisuuskäsikirjat. Monet haastateltavat toivovat, että ISM-koodin käytännön soveltamiseen laadittaisiin ohjeita.

Maritime Safety in the Gulf of Finland. Review on Policy Instruments

Suomenlahden lisääntynyt meriliikenne on herättänyt huolta meriliikenteen turvallisuuden tasosta, ja erityisesti Venäjän öljyviennin kasvu on lisännyt öljyonnettomuuden todennäköisyyttä Suomenlahdella. Erilaiset kansainväliset, alueelliset ja kansalliset ohjauskeinot pyrkivät vähentämään merionnettomuuden riskiä ja meriliikenteen muita haittavaikutuksia. Tämä raportti käsittelee meriturvallisuuden yhteiskunnallisia ohjauskeinoja: ohjauskeinoja yleisellä tasolla, meriturvallisuuden keskeisimpiä säätelijöitä, meriturvallisuuden ohjauskeinoja ja meriturvallisuuspolitiikan tulevaisuuden näkymiä, ohjauskeinojen tehokkuutta ja nykyisen meriturvallisuuden ohjausjärjestelmän heikkouksia. Raportti on kirjallisuuskatsaus meriturvallisuuden yhteiskunnalliseen sääntelyn rakenteeseen ja tilaan erityisesti Suomenlahden meriliikenteen näkökulmasta. Raportti on osa tutkimusprojektia ”SAFGOF - Suomenlahden meriliikenteen kasvunäkymät 2007 - 2015 ja kasvun vaikutukset ympäristölle ja kuljetusketjujen toimintaan” ja sen työpakettia 6 ”Keskeisimmät riskit ja yhteiskunnalliset vaikutuskeinot”. Yhteiskunnalliset ohjauskeinot voidaan ryhmitellä hallinnollisiin, taloudellisiin ja tietoohjaukseen perustuviin ohjauskeinoihin. Meriturvallisuuden edistämisessä käytetään kaikkia näitä, mutta hallinnolliset ohjauskeinot ovat tärkeimmässä asemassa. Merenkulun kansainvälisen luonteen vuoksi meriturvallisuuden sääntely tapahtuu pääosin kansainvälisellä tasolla YK:n ja erityisesti Kansainvälisen merenkulkujärjestön (IMO) toimesta. Lisäksi myös Euroopan Unionilla on omaa meriturvallisuuteen liittyvää sääntelyä ja on myös olemassa muita alueellisia meriturvallisuuden edistämiseen liittyviä elimiä kuten HELCOM. Joitakin meriturvallisuuden osa-alueita säädellään myös kansallisella tasolla. Hallinnolliset meriturvallisuuden ohjauskeinot sisältävät aluksen rakenteisiin ja varustukseen, alusten kunnon valvontaan, merimiehiin ja merityön tekemiseen sekä navigointiin liittyviä ohjauskeinoja. Taloudellisiin ohjauskeinoihin kuuluvat esimerkiksi väylä- ja satamamaksut, merivakuutukset, P&I klubit, vastuullisuus- ja korvauskysymykset sekä taloudelliset kannustimet. Taloudellisten ohjauskeinojen käyttö meriturvallisuuden edistämiseen on melko vähäistä verrattuna hallinnollisten ohjauskeinojen käyttöön, mutta niitä voitaisiin varmasti käyttää enemmänkin. Ongelmana taloudellisten ohjauskeinojen käytössä on se, että ne kuuluvat pitkälti kansallisen sääntelyn piiriin, joten alueellisten tai kansainvälisten intressien edistäminen taloudellisilla ohjauskeinoilla voi olla hankalaa. Tieto-ohjaus perustuu toimijoiden vapaaehtoisuuteen ja yleisen tiedotuksen lisäksi tieto-ohjaukseen sisältyy esimerkiksi vapaaehtoinen koulutus, sertifiointi tai meriturvallisuuden edistämiseen tähtäävät palkinnot. Poliittisella tasolla meriliikenteen aiheuttamat turvallisuusriskit Suomenlahdella on otettu vakavasti ja paljon työtä tehdään eri tahoilla riskien minimoimiseksi. Uutta sääntelyä on odotettavissa etenkin liittyen meriliikenteen ympäristövaikutuksiin ja meriliikenteen ohjaukseen kuten meriliikenteen sähköisiin seurantajärjestelmiin. Myös inhimilliseen tekijän merkitykseen meriturvallisuuden kehittämisessä on kiinnitetty lisääntyvissä määrin huomiota, mutta inhimilliseen tekijän osalta tehokkaiden ohjauskeinojen kehittäminen näyttää olevan haasteellista. Yleisimmin lääkkeeksi esitetään koulutuksen kehittämistä. Kirjallisuudessa esitettyjen kriteereiden mukaan tehokkaiden ohjauskeinojen tulisi täyttää seuraavat vaatimukset: 1) tarkoituksenmukaisuus – ohjauskeinojen täytyy olla sopivia asetetun tavoitteen saavuttamiseen, 2) taloudellinen tehokkuus – ohjauskeinon hyödyt vs. kustannukset tulisi olla tasapainossa, 3) hyväksyttävyys – ohjauskeinon täytyy olla hyväksyttävä asianosaisten ja myös laajemman yhteiskunnan näkökulmasta katsottuna, 4) toimeenpano – ohjauskeinon toimeenpanon pitää olla mahdollista ja sen noudattamista täytyy pystyä valvomaan, 5) lateraaliset vaikutukset – hyvällä ohjauskeinolla on positiivisia seurannaisvaikutuksia muutoinkin kuin vain ohjauskeinon ensisijaisten tavoitteiden saavuttaminen, 6) kannustin ja uuden luominen – hyvä ohjauskeino kannustaa kokeilemaan uusia ratkaisuja ja kehittämään toimintaa. Meriturvallisuutta koskevaa sääntelyä on paljon ja yleisesti ottaen merionnettomuuksien lukumäärä on ollut laskeva viime vuosikymmenien aikana. Suuri osa sääntelystä on ollut tehokasta ja parantanut turvallisuuden tasoa maailman merillä. Silti merionnettomuuksia ja muita vaarallisia tapahtumia sattuu edelleen. Nykyistä sääntelyjärjestelmää voidaan kritisoida monen asian suhteen. Kansainvälisen sääntelyn aikaansaaminen ei ole helppoa: prosessi on yleensä hidas ja tuloksena voi olla kompromissien kompromissi. Kansainvälinen sääntely on yleensä reaktiivista eli ongelmakohtiin puututaan vasta kun jokin onnettomuus tapahtuu sen sijaan että se olisi proaktiivista ja pyrkisi puuttumaan ongelmakohtiin jo ennen kuin jotain tapahtuu. IMO:n työskentely perustuu kansallisvaltioiden osallistumiseen ja sääntelyn toimeenpano tapahtuu lippuvaltioiden toimesta. Kansallisvaltiot ajavat IMO:ssa pääasiallisesti omia intressejään ja sääntelyn toimeenpanossa on suuria eroja lippuvaltioiden välillä. IMO:n kyvyttömyys puuttua havaittuihin ongelmiin nopeasti ja ottaa sääntelyssä huomioon paikallisia olosuhteita on johtanut siihen, että esimerkiksi Euroopan Unioni on alkanut itse säädellä meriturvallisuutta ja että on olemassa sellaisia alueellisia erityisjärjestelyjä kuin PSSA (particularly sensitive sea area – erityisen herkkä merialue). Merenkulkualalla toimii monenlaisia yrityksiä: toisaalta yrityksiä, jotka pyrkivät toimimaan turvallisesti ja kehittämään turvallisuutta vielä korkeammalle tasolle, ja toisaalta yrityksiä, jotka toimivat niin halvalla kuin mahdollista, eivät välitä turvallisuusseikoista, ja joilla usein on monimutkaiset ja epämääräiset omistusolosuhteet ja joita vahingon sattuessa on vaikea saada vastuuseen. Ongelma on, että kansainvälisellä merenkulkualalla kaikkien yritysten on toimittava samoilla markkinoilla. Vastuuttomien yritysten toiminnan mahdollistavat laivaajat ja muut alan toimijat, jotka suostuvat tekemään yhteistyötä niiden kanssa. Välinpitämätön suhtautuminen turvallisuuteen johtuu osaksi myös merenkulun vanhoillisesta turvallisuuskulttuurista. Verrattaessa meriturvallisuuden sääntelyjärjestelmää kokonaisuutena tehokkaiden ohjauskeinoihin kriteereihin, voidaan todeta, että monien kriteerien osalta nykyistä järjestelmää voidaan pitää tehokkaana ja onnistuneena. Suurimmat ongelmat lienevät sääntelyn toimeenpanossa ja ohjauskeinojen kustannustehokkuudessa. Lippuvaltioiden toimeenpanoon perustuva järjestelmä ei toimi toivotulla tavalla, josta mukavuuslippujen olemassa olo on selvin merkki. Ohjauskeinojen, sekä yksittäisten ohjauskeinojen että vertailtaessa eri ohjauskeinoja keskenään, kustannustehokkuutta on usein vaikea arvioida, minkä seurauksena ohjauskeinojen kustannustehokkuudesta ei ole saatavissa luotettavaa tietoa ja tuloksena voi olla, että ohjauskeino on käytännössä pienen riskin eliminoimista korkealla kustannuksella. Kansainvälisen tason meriturvallisuus- (ja merenkulku-) politiikan menettelytavoiksi on ehdotettu myös muita vaihtoehtoja kuin nykyinen järjestelmä, esimerkiksi monitasoista tai polysentristä hallintojärjestelmää. Monitasoisella hallintojärjestelmällä tarkoitetaan järjestelmää, jossa keskushallinto on hajautettu sekä vertikaalisesti alueellisille tasoille että horisontaalisesti ei-valtiollisille toimijoille. Polysentrinen hallintojärjestelmä menee vielä askeleen pidemmälle. Polysentrinen hallintojärjestelmä on hallintotapa, jonka puitteissa kaikentyyppiset toimijat, sekä yksityiset että julkiset, voivat osallistua hallintoon, siis esimerkiksi hallitukset, edunvalvontajärjestöt, kaupalliset yritykset jne. Kansainvälinen lainsäädäntö määrittelee yleiset tasot, mutta konkreettiset toimenpiteet voidaan päättää paikallisella tasolla eri toimijoiden välisessä yhteistyössä. Tämän tyyppisissä hallintojärjestelmissä merenkulkualan todellinen, kansainvälinen mutta toisaalta paikallinen, toimintaympäristö tulisi otetuksi paremmin huomioon kuin järjestelmässä, joka perustuu kansallisvaltioiden keskenään yhteistyössä tekemään sääntelyyn. Tällainen muutos meriturvallisuuden hallinnassa vaatisi kuitenkin suurta periaatteellista suunnanmuutosta, jollaisen toteutumista ei voi pitää kovin todennäköisenä ainakaan lyhyellä tähtäimellä.

Corrosion behaviour of boiler tube materials during combustion of fuels containing Zn and Pb

Många förbränningsanläggningar som bränner utmanande bränslen såsom restfraktioner och avfall råkar ut för problem med ökad korrosion på överhettare och/eller vattenväggar pga. komponenter i bränslena som är korrosiva. För att minimera problemen i avfallseldade pannor hålls ångparametrarna på en relativt låg nivå, vilket drastiskt minskar energiproduktionen. Beläggningarna i avfallseldade pannor består till största delen av element som är förknippade med högtemperaturkorrosion: Cl, S, alkalimetaller, främst K och Na, och tungmetaller som Pb och Zn, och det finns också indikationer av Br-förekomst. Det låga ångtrycket i avfallseldade pannor påverkar också stålrörens temperatur i pannväggarna i eldstaden. I dagens läge hålls temperaturen normalt vid 300-400 °C. Alkalikloridorsakad (KCl, NaCl) högtemperaturkorrosion har inte rapporterats vara relevant vid såpass låga temperaturer, men närvaro av Zn- och Pb-komponenter i beläggningarna har påvisats förorsaka ökad korrosion redan vid 300-400 °C. Vid förbränning kan Zn och Pb reagera med S och Cl och bilda klorider och sulfater i rökgaserna. Dessa tungmetallföreningar är speciellt problematiska pga. de bildar lågsmältande saltblandningar. Dessa lågsmältande gasformiga eller fasta föreningar följer rökgasen och kan sedan fastna eller kondensera på kallare ytor på pannväggar eller överhettare för att sedan bilda aggressiva beläggningar. Tungmetallrika (Pb, Zn) klorider och sulfater ökar risken för korrosion, och effekten förstärks ytterligare vid närvaro av smälta. Motivet med den här studien var att få en bättre insikt i högtemperaturkorrosion förorsakad av Zn och Pb, samt att undersöka och prediktera beteendet och motståndskraften hos några stålkvaliteter som används i överhettare och pannväggar i tungmetallrika förhållanden och höga materialtemperaturer. Omfattande laboratorie-, småskale- och fullskaletest utfördes. Resultaten kan direkt utnyttjas i praktiska applikationer, t.ex. vid materialval, eller vid utveckling av korrosionsmotverkande verktyg för att hitta initierande faktorer och förstå deras effekt på högtemperaturkorrosion.

Productivity and Services – Safety Telephone Services for the Elderly

Previous research on productivity is often associated with manufacturing or uses manufacturing definitions of productivity. Marketing research on services has not been satisfied with the manufacturing definitions. No universal definition for service productivity exists. The lack of a universal definition highlights the complexity entailed in the concept of productivity. The objective of this study was to investigate service productivity in situations, where traditional ways are in some cases even not possible or are not enough. In one definition of the productivity of service organisations there is the efficiency of the organisation on the input side and on the output side the customers’ perceived quality or value-in-use. To learn about value-in-use, many methods have been developed. A common practice is to make customer opinion surveys in the form of customer questionnaires and interviews. However, customers cannot always be asked directly, for example, because of impaired cognitive abilities. Such cases include the elderly and children. Furthermore, customer opinion surveys are time consuming. In addition, customers do not always know what kind of services they would benefit from. For the empirical part of the study, a business area was identified where traditional ways of measuring value-in-use are difficult or in some cases even not possible. This business area is safety telephone services. These services are most often used by the elderly. The way to define value-in-use here was to assess how well the services offered met customer expectations. Comparing the services customers asked for and the services provided to them indicated whether customer expectations were met. This study showed that customers had their ideas concerning the contents of the services but many times the services provided did not meet these expectations. Organisational efficiency aspirations can decrease customers’ value-in-use. This study found a solution, in which increasing organisational efficiency would go hand-in-hand with increasing customers’ value-in-use; the result being that the organisations’ needs and the service users’ expectations were in line. Value creation for customers produced organisational efficiency and thus increased productivity. In this study, customer expectations were observed by means of wellness technology. With the help of modern technology, customer expectations can be followed quickly and easily and customers can co-create with the organisation. This type of an approach could be useful even in the development of other services for other ages and in different contexts. If a service organisation decreases the number of personnel and, at the same time, tries to offer services to the same or a larger clientele, customers easily notice the change, which is often negative. To avoid harmful decrease in value-in-use, limitations to the aspiration of efficiency should be implemented – one of such is that the organisation is required to meet certain quality standards defined by experts. The aim is to secure that, as a result of efficiency aspirations in the organisation, the quality of the service offerings does not diminish below mutually agreed standards. Traditionally, when productivity in services has been estimated, organisational efficiency has not been combined with both customer expectations and an expert assessment of quality. This study contributes with novel thinking entitled ‘Relationship Management of the Elderly’. This study handles productivity, expert defined quality and value-in-use in an organisational context, which is practically untouched in previous research studies.

ETYK III-vaihe (Tasavallan Presidentin esittämä Suomen puheenvuoro 31.7.1975 = Conference on Security and Co-operation in Europe = main speech of Finland delivered by President Urho Kekkonen July 31, 1975)

Puhe

The biotechnology of lactic acid bacteria with emphasis on applications in food safety and human health

Selostus: Terveyttä ja ruoan turvallisuutta edistävät maitohappobakteerien biotekniset sovellukset