New Type Nuclear Reactors (NETNUC) 2008-2011 Final Report

This report summarizes the work done by a consortium consisting of Lappeenranta University of Technology, Aalto University and VTT Technical Research Centre of Finland in the New Type Nuclear Reactors (NETNUC) project during 2008–2011. The project was part of the Sustainable Energy (SusEn) research programme of the Academy of Finland. A wide range of generation IV nuclear technologies were studied during the project and the research consisted of multiple tasks. This report contains short articles summarizing the results of the individual tasks. In addition, the publications produced and the persons involved in the project are listed in the appendices.

Profile of a technical writer

Abstract

Relative Technical Efficiency of European Transportation Systems

Talouden kasvaessa myös tavarankuljetusmäärät kasvavat. Kuljetusjärjestelmät ja niiden sujuva toiminta on erittäin tärkeää taloudellisen kasvun kannalta tällä hetkellä, ja se tulee olemaan yhä tärkeämpää tulevaisuudessa. Tulevaisuudessa tarvitaan kokonaisvaltainen ja selkeästi tehokkaampi kuljetusjärjestelmä, mikäli tulevaisuuden kuljetusvirrat halutaan hoitaa kestävästi. Tässä opinnäytetyössäni tutkin kolmen eurooppalaisen kuljetusjärjestelmän (rautatiet, lentoliikenne ja konttiliikenne meritse) suhteellista teknistä tehokkuutta ja menetelmänä on data envelopment analysis (DEA). Vertailtaessa kuljetusjärjestelmiä löytyi suuria eroja kuljetusmuotojen välille. lentoyhtiöt suoriutuivat huomattavan tasaisesti eli tehokkaiden ja ei-tehokkaiden toimijoiden välillä ei ollut suuria eroja. Rautatiepuolella erot venyivät huomattavan suuriksi niin eri yritysten välillä kuin jopa saman yrityksen sisällä eri vuosina. Pikaisemmassa laivayhtiöiden tarkastelussa erot niiden välillä olivat lähes yhtä pieniä kuin lentoyhtiöiden välillä. Tarkasteltaessa omistajuuden vaikutusta lentoyhtiöiden toiminnassa huomattiin, että yksityisessä omistuksessa olevat yritykset olivat huomattavasti tehokkaampia matkustajien kuljettamisessa. Rahtipuolella merkittäviä eroja ei havaittu. Merkittävät korrelaatiot eri mallien välillä antoivat joitain viitteitä myös kuljetuspoliittiseen päätöksentekoon; investoinnit matkustajienkuljetuksiin raiteilla parantaisivat koko rautatiepuolen teokkuutta, mutta myös samalla lentopuolen matkustajakuljetuksen tehokkuutta.

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

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

Assessing the technical competitiveness of printing papers

This dissertation studies the technical quality assessment of a printing paper. The theoretical framework basis on the customer value hierarchy concept and the product integrity concept. The experimental part of the research was divided into two phases: Interviews of the publishers and the printers and the testing of the technical quality of selected consumer magazines and a set of selected white paper samples. The revenue coming from the advertising and the revenue coming from the copy sales arethe most important factors of efficiency of the publisher. They form the highest level in the customer value hierarchy of the publisher. A printed product is profiled according to the target group and product segment. There is no absolute level of good printed quality. It can be studied only in context of the requirements set on the printed product. Publishers quality expectations are basic elements of external product integrity. The most important elements of efficiency of the printer can be summarised to reaching high production efficiency in order toattain good profitability and competitive delivery times. Printers' factors of efficiency base on the customers expectations on the consequences in use situation in the customer value hierarchy. They form the basis of internal productintegrity. The use of purely technical testing to classify printed products according to the customers' expectations proved to be only indicative at its best. The information gathered from the interviews was documented and sorted withthe help of the QFD-technique. The technical quality of two different coated paper grades were assessed based on the customer expectations and based on the best achievable quality. When customer requirements are used for the basis of assessing the technical quality of printing papers the order from best to worst is different than when comparing the papers just based on the best achievable quality.

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.

Inhimillisten virheiden tarkastelu ydinvoimalaitosten käyttökokemusten hyödyntämisessä

Tässä työssä on kuvattu ydinvoimalaitosten käyttökokemusten tutkimusta keskittyen erityisesti inhimillisten toimintojen tarkasteluun. Työssä on kerrottu kansainvälisistä vaatimuksista ja järjestöistä sekä yleisesti käyttökokemusten tutkimuksessa käytössä olevista menetelmistä keskittyen perussyyanalyysimenetelmiin. Suomen osalta työssä on käsitelty lainsäädännön asettamia velvoitteita ja muita vaatimuksia, jotka ydinvoima-alalla koostuvat lähinnä Säteilyturvakeskuksen YVL-ohjeista. Viranomaisena toimivan Säteilyturvakeskuksen, alan tutkimusta suorittavan Valtion teknillisen tutkimuskeskuksen ja Teollisuuden Voima Oy:n käyttökokemusten tutkimiseen liittyvät organisaatiot ja menettelytavat on esitelty. Fortum Power and Heat Oy:n omistaman ja käyttämän Loviisan ydinvoimalaitoksen käyttökokemusten hyödyntäminen on käsitelty tarkemmin. Loviisan voimalaitoksen organisaatio ja käyttökokemusten sekä inhimillisten virheiden käsittelymenetelmiä on esitelty ja analysoitu. Työn alkuvaiheessa Loviisan voimalaitoksella inhimillisistä virheistä kerätystä tiedosta koottu tietokanta järjesteltiin kuntoon. Järjestelyn jälkeen tietoa analysoitiin ja analysoinnin tulokset on esitetty tässä työssä. Sekä järjestelyn että analysoinnin aikana havaitut kehityskohteet kirjattiin muistiin. Pienet toimenpiteet suoritettiin heti ja suuremmat kirjattiin tämän työn toimenpide-ehdotuksiin. Kehittämiskeinoja on ehdotettu virheiden luokittelumenetelmään ja käyttökokemusten käsittelymenetelmiin.

Technical Aspects of Internet-Shopping, Comparative study in Finland/Russia

Isot ja keskikokoiset yritykset harkitsevat sähköistä kaupankäyntiä Internetissä, Internet - kauppojen muodossa. Organisaatiot pyrkivät kilpailukykyiseen ja moderniin tyyliin kaupankäynnissä sekä yrityksen eri prosessien automatisointiin. Yrityksen on onnistuttava uusimpien tekniikoiden ja työkalujen omaksumisessa kilpailukykynsä parantamiseksi. Sähköinen kaupankäynti on suhteellisen uusi tekniikka, joka mahdollistaa kaupankäynnin esittämisen uudessa, sähköisessä muodossa. Tämä työ sisältää katsauksen yrityksen mahdollisiin sähköisen kaupankäynnin eri muotoihin. Työ sisältää mahdollisia ratkaisuja Internet-kaupan rakentamiseen, sähköisen kaupankäynnin hallintaan sekä erityyppisten Internet- kauppojen kuvauksia. Sähköisen kaupankäynnin ongelmat ovat myös tarkastelussa. Välttämättömät asiat sähköisen kaupankäynnin perustamiseksi on lueteltu. Työn kokeellinen osuus sisältää vertailututkimusta sähköisen kaupankäynnin muodoista Suomessa ja Venäjällä. Sähköisen kaupankäynnin ongelmat, niiden mahdolliset ratkaisut, eroavaisuudet sekä samankaltaisuudet molempien maiden välillä on esitetty tässä työssä. Työssä on arvioitu Internet-kaupan kehittämistä sekä edistämistä esimerkein. Tutkimuksen tulokset on esitetty.

Nuclear magnetic resonance investigation of structure and dynamics of some electrolyte solutions

Electrolyte solutions are of importance in a wide range of scientific contexts and as such have attracted considerable theoretical and experimental effort over many years. Nuclear Magnetic resonance provides a precise and versatile tool for investigation of electrolyte solutions, both in water and in organic solvents. Many structural and dynamic properties can be obtained through NMR experiments. The solution of aluminum chloride in water was studied. Different concentrations were taken for investigation. Independence of maximum line shift from concentration and acidity was shown. Six-coordinated structure of solvation shell was confirmed by experiments on 'H and 27A1 nuclei. Diffusion coefficients were studied. The solution of nickel chloride in methanol was studied. Lines, corresponding to coordinated and bulk methanol were found. Four-, five- and six-coordinated structures were found in different temperatures. The line for coordinated -OD group of deuterated methanol was observed on 2H spectrum for the first time. Partial deuteration of CH3 group was detected. Inability to observe coordinated -OH group was explained.

Modelling of North-West Russian market behavior considering technical restrictions of transmission grid

Nowadays the Finnish-Russian electric energy interaction is carried out through the back-to-back DC Vyborg substation and several power plants working synchronously with Finnish power system. Constant amount of energy flows in one direction — from Russia to Finland. But the process of electricity market development in Russian energy system makes the new possibilities of electrical cooperation available. The goal of master's thesis is to analyze the current state and possible evolution trends of North-West Russian system in relation with future possible change in power flow between Russia and Finland. The research is done by modelling the market of North-West Russia and examination of technical grid restrictions. The operational market models of North-West region of Russia for the years 2008 and 2015 were created during the research process. The description of prepared market models together with modelling results and their analysis are shown in the work. The description of power flow study process and results are also presented.