Remote Observation of Radioactive Permit-Required Confined Spaces – Case: Posiva Oy’s Fuel Handling Cell

Posiva Oy’s final disposal facility’s encapsulation plant will start to operate in the 2020s. Once the operation starts, the facility is designed to run more than a hundred years. The encapsulation plant will be first of its kind in the world, being part of the solution to solve a global issue of final disposal of nuclear waste. In the encapsulation plant’s fuel handling cell the spent nuclear fuel will be processed to be deposited into the Finnish bedrock, into ONKALO. In the fuel handling cell, the environment is highly radioactive forming a permit-required enclosed space. Remote observation is needed in order to monitor the fuel handling process. The purpose of this thesis is to map (Part I) and compare (Part II) remote observation methods to observe Posiva Oy’s fuel handling cell’s process, and provide a possible theoretical solution for this case. Secondary purpose for this thesis is to provide resources for other remote observation cases, as well as to inform about possible future technology to enable readiness in the design of the encapsulation plant. The approach was to theoretically analyze the mapped remote observation methods. Firstly, the methods were filtered by three environmental challenges. These are the high levels of radiation, the permit-required confined space and the hundred year timespan. Secondly, the most promising methods were selected by the experts designing the facility. Thirdly, a customized feasibility analysis was created and performed on the selected methods to rank the methods with scores. The results are the mapped methods and the feasibility analysis scores. The three highest scoring methods were radiation tolerant camera, fiberscope and audio feed. A combination of these three methods was given as a possible theoretical solution for this case. As this case is first in the world, remote observation methods for it had not been thoroughly researched. The findings in this thesis will act as initial data for the design of the fuel handling cell’s remote observation systems and can potentially effect on the overall design of the facility by providing unique and case specific information. In addition, this thesis could provide resources for other remote observation cases.

Plasmapolttoprosessin kehittäminen ja optimointi

Ydinvoimaloidenprimaarivesikierron puhdistukseen käytetään ioninvaihtohartsia. Käytönjälkeen ioninvaihtohartsi luokitellaan matalaja keskiaktiivisiin jätteisiin. Plasmakäsittelyllä käytetyn ioninvaihtohartsin tilavuutta voidaan pienentää sekä sen orgaaninen luonne poistaa. Plasmakäsittelyn tarkoituksena on hapettaa orgaaninen aines oksideiksi, jotka poistuvat prosessista savukaasuina. Epäorgaaninen aines, joka sisältää radioaktiivisen aineksen, on tarkoitus hapettaa oksideiksi ja sulfideiksi, jotka voidaan kerätä talteen tuhkana. Tässä diplomityössä käsitellään käytetyn ioninvaihtohartsin käsittelyyn suunnitellun plasmapolttoprosessin kehittämistä ja optimointia. Ioninvaihtohartsin plasmakäsittelyssä syntyvien reaktiotuotteiden selvittäminen suoritettiin tarkastelemalla ainetaseita sekä aihetta käsitteleviä tutkimuksia. Näiden perusteella parannettiin jäähdytystä, suunniteltiin jatkuvatoiminen syöttömenetelmä sekä laadittiin toimintaalueen reunaehdot laitteistolle. Koelaitteistossa 6,5 kW:n rfteho syötetään sovitinpiirin ja kuparisen induktiokelan kautta plasmaan. Plasmakaasuna on käytetty hapenja argonin seoskaasua. Plasmapolttoa on seurattu massaspektrometrilla, optisella emissiospektrometrilla, lämpösekä painemittareilla. Laskennan ja kokeiden pohjalta selvitettiin optimaalinen seossuhde plasmakaasulle, paineen ja tehon noston vaikutus hartsin polttonopeuteen sekä jatkuvatoimisen syöttömenetelmän edut panostoimiseen syöttöön. Rfgeneraattorin teho rajoitti jatkuvatoimisen polttonopeuden 130 g/h ja hetkellisen polttonopeuden 175 g/h. Radioaktiivisten aineiden pidätys oli 93,5 % cesiumin osalta. Tulosten perusteella 4 kg/h ioninvaihtohartsia polttavan laitteiston tehon lähteeksi tarvitaan 65 kW rfgeneraattori. Palamattoman hartsin ja tuhkan kulkeutuminen partikkelisuodattimille sekä reaktiotuotteena syntyvien rikinoksidien käsittely vaatii vielä jatkotutkimusta.

Käytetyn ydinpolttoaineen kapselointilaitoksessa muodostuvat radioaktiiviset jätteet

Tässä työssä ontarkasteltu käytetyn ydinpolttoaineen kapselointilaitoksessa muodostuvia radioaktiivisia jätteitä. Kapselointilaitos rakennetaan Olkiluotoon joko Olkiluodon ydinvoimalaitoksen käytetyn ydinpolttoaineen välivaraston yhteyteen tai loppusijoituslaitokseen kytkettynä laitoksena. Työssä on otettu huomioon molemmat vaihtoehdot ja niiden eroavaisuudet prosessien ja jätemäärien osilta. Kaikki jäte, joka muodostuu kapselointilaitoksen valvonta-alueella, luokitellaan radioaktiiviseksi jätteeksi. Radioaktiivisia jätteitä muodostuu, kun käytetystä ydinpolttoaineesta irronneet radioaktiiviset aineet kontaminoivat laitoksen rakenteita ja laitteita. Muodostuvat radioaktiiviset jätteet kiinteytetään ja sijoitetaan loppusijoitustilan yhteyteen rakennettavaan käyttö- ja käytöstäpoisto-jäteluolaan. Hyvin vähäaktiivinen jäte voidaan vapauttaa valvonnasta aktiivisuusmittauksen jälkeen. Radioaktiivisia jätteitä muodostuu kapselointilaitoksen toiminnan aikana vähäisiä määriä verrattuna ydinvoimalaitoksiin. Vertailtaessa molempien kapselointilaitosvaihtoehtojen radioaktiivisten jätteiden määriä, ainoastaan loppusijoitettavan nestemäisten jätteiden määrässä on eroa.

Kontaminaatiomittaukset Loviisan voimalaitoksella

Kandidaatintyössä esitellään Loviisan ydinvoimalaitoksella käytössä olevia menetelmiä ja mittalaitteita radioaktiivisen kontaminaation havaitsemiseen ja mittaamiseen.

Free Flap Monitoring. Using Tissue Oxygen Measurement and Positron Emission Tomography

Aims:This study was carried out to evaluate the feasibility of two different methods to determine free flap perfusion in cancer patients undergoing major reconstructive surgery. The hypotheses was that low perfusion in the flap is associated with flap complications. Patients and methods: Between August 2002 and June 2008 at the Department of Otorhinolaryngology – Head and Neck Surgery, Department of Surgery, and at the PET Centre, Turku, 30 consecutive patients with 32 free flaps were included in this study. The perfusion of the free microvascular flaps was assessed with positron emission tomography (PET) and radioactive water ([¹⁵O] H₂O) in 40 radiowater injections in 33 PET studies. Furthermore, 24 free flaps were monitored with a continuous tissue oxygen measurement using flexible polarographic catheters for an average of three postoperative days. Results: Of the 17 patients operated on for head and neck (HN) cancer and reconstructed with 18 free flaps, three re-operations were carried out due to poor tissue oxygenation as indicated by p_tiO₂ monitoring results and three other patients were reoperated on for postoperative hematomas in the operated area. Blood perfusion assessed with PET (BF_PET) was above 2.0 mL / min / 100 g in all flaps and a low flap-to-muscle BFPET ratio appeared to correlate with poor survival of the flap. Survival in this group of HN cancer patients was 9.0 months (median, range 2.4-34.2) after a median follow-up of 11.9 months (range 1.0-61.0 months). Seven HN patients of this group are alive without any sign of recurrence and one patient has died of other causes. All of the 13 breast reconstruction patients included in the study are alive and free of disease at a median follow-up time of 27.4 months (range 13.9-35.7 months). Re-explorations were carried out in three patients due data provided by p_tiO₂ monitoring and one re-exploration was avoided on the basis of adequate blood perfusion assessed with PET. Two patients had donorsite morbidity and 3 patients had partial flap necrosis or fat necrosis. There were no total flap losses. Conclusions: P_tiO₂ monitoring is a feasible method of free flap monitoring when flap temperature is monitored and maintained close to the core temperature. When other monitoring methods give controversial results or are unavailable, [₁₅O] H₂O PET technique is feasible in the evaluation of the perfusion of the newly reconstructed free flaps.

Loviisan ydinvoimalaitoksen todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin tason 2 epävarmuustarkastelut

Diplomityössä tarkastellaan Loviisan ydinvoimalaitoksen todennäköisyyspohjaisen riskianalyysin tason 2 epävarmuuksia. Tason 2 riskitutkimuksissa tutkitaan ydinvoimalaitosonnettomuuksia, joiden seurauksena osa reaktorin radioaktiivisista aineista vapautuu ympäristöön. Näiden tutkimuksien päätulos on suuren päästön vuotuinen taajuus ja se on pääosin todelliseen laitoshistoriaan perustuva tilastollinen odotusarvo. Tämän odotusarvon uskottavuutta voidaan parantaa huomioimalla merkittävimmät laskentaan liittyvät epävarmuudet. Epävarmuuksia laskentaan aiheutuu muiden muassa vakavan reaktorionnettomuuden ilmiöistä, turvallisuusjärjestelmien laitteista, inhimillisistä toiminnoista sekä luotettavuusmallin määrittelemättömistä osista. Diplomityössä kuvataan, kuinka epävarmuustarkastelut integroidaan osaksi Loviisan ydinvoimalaitoksen todennäköisyyspohjaisia riskianalyysejä. Tämä toteutetaan diplomityössä kehitetyillä apuohjelmilla PRALA:lla ja PRATU:lla, joiden avulla voidaan lisätä laitoshistorian perusteella muodostetut epävarmuusparametrit osaksi riskianalyysien luotettavuusdataa. Lisäksi diplomityössä on laskettu laskentaesimerkkinä Loviisan ydinvoimalaitoksen suuren päästön vuotuisen taajuuden vaihtelua kuvaava luottamusväli. Tämä laskentaesimerkki pohjautuu pääosin konservatiivisiin epävarmuusarvioihin, ei todellisiin tilastollisiin epävarmuuksiin. Laskentaesimerkin tulosten perusteella Loviisan suuren päästön taajuudella on laaja vaihteluväli; virhekertoimeksi saatiin 8,4 nykyisillä epävarmuusparametreilla. Suuren päästön taajuuden luottamusväliä voidaan kuitenkin tulevaisuudessa supistaa, kun hyödynnetään todelliseen laitoshistoriaan perustuvia epävarmuusparametreja.

Kehittyneiden ydinpolttoainekiertojen ympäristövaikutusten ja taloudellisuuden arviointia

Kaikkein yleisin käytössä oleva ydinpolttoainekierto on nykyisin avoin, jossa käytetty ydinpolttoaine loppusijoitetaan suoraan ilman jälleenkäsittelyä. Nykyisin kehitteillä olevat uuden sukupolven ydinreaktorit ovat kuitenkin pääosin suunniteltu osittain tai kokonaan suljetuille ydinpolttoainekierroille, jossa käytetty polttoaine jälleenkäsitellään ja osa materiaaleista kierrätetään. Tämän työn tavoitteena oli arvioida näitä kehittyneitä ydinpolttoainekiertoja ympäristövaikutusten ja taloudellisuuden suhteen. Työn yleisluonteista vertailua varten valittiin neljä erilaista kehittynyttä polttoainekiertoskenaariota, joita verrattiin avoimeen polttoainekiertoon erilaisten parametrien avulla. Parametreinä käytettiin muun muassa uraanin kulutusta, loppusijoitettavan jätteen määrää, aktiivisuutta ja lämmöntuottoa sekä käytönaikaisten radioaktiivisten päästöjen määrää. Yleislounteisen arvioinnin lisäksi työssä tarkasteltiin polttoainekiertoa myös Suomen näkökulmasta. Nykyistä polttoainekiertoa verrattiin kahteen erilaiseen tulevaisuuden versioon. Kestävän kehityksen osalta kehittyneet polttoainekierrot vähensivät ympäristövaikutusten määrää avoimeen polttoainekiertoon verrattuna. Kehittyneiden polttoainekiertojen kustannukset olivat avoimen polttoainekierron kustannuksia suuremmat. Kokonaiskustannuksissa ero oli kaikilla vertailuskenaarioilla alle 20 %, mutta polttoainekiertokustannuksissa kustannusten kasvu oli välillä 27-45 % riippuen skenaariosta. Suomen tapauksessa tulokset olivat hyvin samankaltaisia. Uraanin kulutus ja loppusijoitettavan jätteen määrä väheni kehittyneempien polttoainekiertojen johdosta. Polttoainekiertokustannukset nousivat noin puolitoistakertaisiksi, mutta vaikutus kokonaiskustannuksiin oli vain noin 10 %. Johtopäätöksenä voidaan todeta, ettäydinpolttoainekierron ympäristövaikutuksia on mahdollista vähentää osittain tai kokonaan suljettujen polttoainekiertojen avulla. Vaikka polttoainekierron kustannukset kasvavat, niiden vaikutus ydinsähkön kokonaiskustannuksiin ei ole niin merkittävä.

Kirkkaasta sameaan : Meren kuormitus ja tila Saaristomerellä ja Ahvenanmaalla

Tässä raportissa tarkastellaan Saaristomeren ja Ahvenmaan merialueen kuormitusta ja tilaa ja niissä viime vuosikymmeninä tapahtuneita muutoksia vuosiin 2008 ja 2009 saakka. Pääpaino on ravinnekuormituksessa ja veden laadussa, mutta mukana on taustatietoa ja muun muassa katsaus kalakannoista. Saaristomeren ja Ahvenanmaan merialueen tila on heikentynyt huomattavasti viimeisten vuosikymmenten aikana. Erityisesti fosforin ja a-klorofyllin määrät ovat kasvaneet ja näkösyvyys pienenentynyt. Viimeisen kymmenen vuoden aikana pintaveden fosforipitoisuuden kasvu on laantunut suurimmassa osassa aluetta, mutta pohjanläheisessä vesikerroksessa ja talvella fosforipitoisuus on jatkanut kasvuaan monin paikoin viime vuosiin asti. Myös a-klorofyllin määrä on lisääntynyt ulko- ja välisaaristossa 2000-luvullakin. Viime vuosina klorofyllipitoisuuden kasvu on kuitenkin laantunut tai pitoisuus laskenut varsinkin rannikonläheisissä vesissä. Merialueen suurin paikallinen ravinnekuormittaja on maatalous, mutta varsinkin typpeä tulee runsaasti myös ilmalaskeumana. Sisäinen kuormitus ja virtausten mukana Suomenlahdelta ja muualta Itämereltä tulevat ravinteet heikentävät niin ikään merialueen tilaa. Muita ravinnelähteitä ovat mm. haja-asutus, jätevedenpuhdistamot ja kalankasvatus. Ahvenanmaan merialueelle ravinteita tulee enemmän muualta kuin Ahvenanmaalta. Hajakuormituksessa on tapahtunut viime vuosikymmeninä selviä vuodenaikaisia muutoksia. Vuosina 1990 – 2009 jokien mereen tuoma ravinne- ja kiintoainekuormitus on ollut talvisin ja syksyisin selvästi suurempaa kuin vuosina 1970 – 1989. Talviaikaisen kuormituksen lisääntyminen johtuu aiempaa lauhemmista talvista, ja antaa viitteitä ilmastonmuutoksen mukanaan tuomista muutoksista. Vaikka Saaristomeren ja Ahvenanmaan merialueen tilassa on ollut viime aikoina nähtävissä myönteisiäkin merkkejä, on niiden tila edelleen huolestuttava. Ainoa keino merialueen tilan parantamiseksi on kuormituksen huomattava vähentäminen. Vähentäminen koskee niin paikallisia ravinnelähteitä, erityisesti maataloutta, kuin muualta Itämereltä virtausten mukana tulevia ravinteita ja ilmalaskeumaa.

DFMA Aspects in the Design of a Transfer Line for Off-line Ion Sources

In this thesis, the DFMA is presented and used for the purpose of having a design for a vertical transfer line that can be easily manufactured and assembled. The design of the transfer line, the major components and drawings are presented. The ease of assembly, the costs of manufacturing and differences between the use of steel structure and aluminum are compared. The ALARA principle is followed to minimize the risk of radiation exposure by the means of locating the test ion sources outside the radioactive area.

Markers of Bone Turnover In Preclinical Development of Drugs for Skeletal Diseases

Skeletal tissue is constantly remodeled in a process where osteoclasts resorb old bone and osteoblasts form new bone. Balance in bone remodeling is related to age, gender and genetic factors, but also many skeletal diseases, such as osteoporosis and cancer-induced bone metastasis, cause imbalance in bone turnover and lead to decreased bone mass and increased fracture risk. Biochemical markers of bone turnover are surrogates for bone metabolism and may be used as indicators of the balance between bone resorption and formation. They are released during the remodeling process and can be conveniently and reliably measured from blood or urine by immunoassays. Most commonly used bone formation markers include N-terminal propeptides of type I collagen (PINP) and osteocalcin, whereas tartrate-resistant acid phosphatase isoform 5b (TRACP 5b) and C-terminal cross-linked telopeptide of type I collagen (CTX) are common resorption markers. Of these, PINP has been, until recently, the only marker not commercially available for preclinical use. To date, widespread use of bone markers is still limited due to their unclear biological significance, variability, and insufficient evidence of their prognostic value to reflect long term changes. In this study, the feasibility of bone markers as predictors of drug efficacy in preclinical osteoporosis models was elucidated. A non-radioactive PINP immunoassay for preclinical use was characterized and validated. The levels of PINP, N-terminal mid-fragment of osteocalcin, TRACP 5b and CTX were studied in preclinical osteoporosis models and the results were compared with the results obtained by traditional analysis methods such as histology, densitometry and microscopy. Changes in all bone markers at early timepoints correlated strongly with the changes observed in bone mass and bone quality parameters at the end of the study. TRACP 5b correlated strongly with the osteoclast number and CTX correlated with the osteoclast activity in both in vitro and in vivo studies. The concept “resorption index” was applied to the relation of CTX/TRACP 5b to describe the mean osteoclast activity. The index showed more substantial changes than either of the markers alone in the preclinical osteoporosis models used in this study. PINP was strongly associated with bone formation whereas osteocalcin was associated with both bone formation and resorption. These results provide novel insight into the feasibility of PINP, osteocalcin, TRACP 5b and CTX as predictors of drug efficacy in preclinical osteoporosis models. The results support clinical findings which indicate that short-term changes of these markers reflect long-term responses in bone mass and quality. Furthermore, this information may be useful when considering cost-efficient and clinically predictive drug screening and development assays for mining new drug candidates for skeletal diseases.

Novel control, haptic and calibration methods for teleoperated electrohydraulic servo systems

The aim of this thesis is to propose a novel control method for teleoperated electrohydraulic servo systems that implements a reliable haptic sense between the human and manipulator interaction, and an ideal position control between the manipulator and the task environment interaction. The proposed method has the characteristics of a universal technique independent of the actual control algorithm and it can be applied with other suitable control methods as a real-time control strategy. The motivation to develop this control method is the necessity for a reliable real-time controller for teleoperated electrohydraulic servo systems that provides highly accurate position control based on joystick inputs with haptic capabilities. The contribution of the research is that the proposed control method combines a directed random search method and a real-time simulation to develop an intelligent controller in which each generation of parameters is tested on-line by the real-time simulator before being applied to the real process. The controller was evaluated on a hydraulic position servo system. The simulator of the hydraulic system was built based on Markov chain Monte Carlo (MCMC) method. A Particle Swarm Optimization algorithm combined with the foraging behavior of E. coli bacteria was utilized as the directed random search engine. The control strategy allows the operator to be plugged into the work environment dynamically and kinetically. This helps to ensure the system has haptic sense with high stability, without abstracting away the dynamics of the hydraulic system. The new control algorithm provides asymptotically exact tracking of both, the position and the contact force. In addition, this research proposes a novel method for re-calibration of multi-axis force/torque sensors. The method makes several improvements to traditional methods. It can be used without dismantling the sensor from its application and it requires smaller number of standard loads for calibration. It is also more cost efficient and faster in comparison to traditional calibration methods. The proposed method was developed in response to re-calibration issues with the force sensors utilized in teleoperated systems. The new approach aimed to avoid dismantling of the sensors from their applications for applying calibration. A major complication with many manipulators is the difficulty accessing them when they operate inside a non-accessible environment; especially if those environments are harsh; such as in radioactive areas. The proposed technique is based on design of experiment methodology. It has been successfully applied to different force/torque sensors and this research presents experimental validation of use of the calibration method with one of the force sensors which method has been applied to.

Radioaktiivisen päästön ennustaminen valmiustilanteessa

Ydinvoimaloissa käytetään toiminnallisia syvyyssuuntaisia puolustustasoja ydinturvallisuuden varmistamiseksi. Puolustuksen viidennessä ja viimeisessä tasossa pyritään lieventämään vakavan onnettomuuden ympäristövaikutuksia ja väestöön kohdistuvaa säteilyaltistusta. Suojelutoimien onnistumisen kannalta on tärkeää pystyä arvioimaan etukäteen radioaktiivisen päästön suuruus ja ajankohta mahdollisimman tarkasti. Tässä diplomityössä on esitelty radioaktiivisen päästön suuruuteen ja ajankohtaan vaikuttavat ilmiöt sekä niihin liittyvät merkittävät epävarmuudet. Ydinvoimalaitosten turvallisuusjärjestelmien osalta tarkastelun kohteena ovat suomalaiset käynnissä olevat reaktorit Olkiluoto 1 & 2 sekä Loviisa 1 & 2. Kaikissa Suomen laitoksissa on käytössä vakavan onnettomuuden hallintaan soveltuvia järjestelmiä ja toimintoja. Työssä etsittiin tietoa eri maiden radioaktiivisen päästön ennustamiseen käytettävistä ohjelmista. Eri mailla on eri toimintaperiaatteilla ja laajuuksilla toimivia ohjelmia. Osassa työkaluja käytetään ennalta laskettuja tuloksia ja osassa onnettomuustilanteet lasketaan onnettomuuden aikana. Lisäksi lähivuosina Euroopassa on tavoitteena kehittää yhteistyömaille yhteisiä valmiuskäyttöön soveltuvia ohjelmia. Työssä kehitettiin uusi valmiustyökalu Säteilyturvakeskuksen käyttöön Microsoft Excelin VBAohjelmoinnin avulla. Valmiustyökalu hyödyntää etukäteen laskettujen todennäköisyyspohjaisten analyysien onnettomuussekvenssejä. Tällöin valmiustilanteessa laitoksen tilanteen kehittymistä on mahdollista arvioida suojarakennuksen toimintakyvyn perusteella. Valmiustyökalu pyrittiin kehittämään mahdollisimman helppokäyttöiseksi ja helposti päivitettäväksi.