APROS code benchmarking inboiling water reactor accident analyses

Diplomityö käsittelee kiehutusvesilaitosten transienttien ja onnettomuuksien analysointia APROS-ohjelmiston avulla. Työ on tehty Teollisuuden Voima Oy:n (TVO) Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden mallin pohjalta. Raportissa esitetään ohjelmiston käyttämiä yhtälöitäja laskentamalleja yleisellä tasolla. Työssä esitellään laitoksen yleispiirteet turvallisuustoimintoineen ja kuvataan ohjelmaan suureksi osaksi aiemmin luotua laskentamallia. Työssä on luetteloitu voimassa olevatlisensiointianalyysit, joiden joukosta on valittu laskentatapauksia ohjelmiston suorituskyvyn arviointia varten. Lisäksi työhön on valittu laskentatapauksia muilla kuin lisensointiin käytetyillä ohjelmilla lasketuista analyyseistä. Lisäksi on suoritettu vertailulaskuja konservatiivisen ja realistisen mallin erojen esille saamiseksi. Laskentatapauksia ovat mm. ylipainetransientti, jäähdytteen menetysonnettomuus ja oletettavissa oleva käyttöhäiriö, jossa pikasulku ei toimi (ATWS). Diplomityön edetessä laitosmallia on kehitetty edelleen lisäämällä joitakin järjestelmiä ja tarkentamalla joidenkin komponenttien kuvausta. Työssä ilmeni, että APROS soveltuu jäähdytteenmenetysonnettomuuden ja suojarakennuksen yhtäaikaiseen analyysiin. APROS.n vaste nopeisiin transientteihin jäi kuitenkin vertailutasosta. Tämän työn perusteella APROS-mallia kehitys jatkuu edelleen siten, että se soveltuisi entistä paremmin myös nopeiden transienttien ja ATWS-tilanteiden kuvaamiseen. Työssä olevaa lisensointianalyysien kuvausta tullaan käyttämään hyväksi selvitettäessä laitoksen turvallisuuden väliarviossa tarvittavien analyysien määrää ja laatua. Nyt saatuja kokemuksia voidaan hyödyntää myös mahdollisen kolmiulotteisen sydänmallin hankinnassa APROS-ohjelmistoon. Tässä diplomityössä esitettyjä parannuksia voidaan käyttää hyväksi SAFIRtutkimusohjelman hankkeiden suunnittelussa.

Evaluation of Bubble Formation and Break Up in Suppression Pools by Using Pattern Recognition Methods

During a possible loss of coolant accident in BWRs, a large amount of steam will be released from the reactor pressure vessel to the suppression pool. Steam will be condensed into the suppression pool causing dynamic and structural loads to the pool. The formation and break up of bubbles can be measured by visual observation using a suitable pattern recognition algorithm. The aim of this study was to improve the preliminary pattern recognition algorithm, developed by Vesa Tanskanen in his doctoral dissertation, by using MATLAB. Video material from the PPOOLEX test facility, recorded during thermal stratification and mixing experiments, was used as a reference in the development of the algorithm. The developed algorithm consists of two parts: the pattern recognition of the bubbles and the analysis of recognized bubble images. The bubble recognition works well, but some errors will appear due to the complex structure of the pool. The results of the image analysis were reasonable. The volume and the surface area of the bubbles were not evaluated. Chugging frequencies calculated by using FFT fitted well into the results of oscillation frequencies measured in the experiments. The pattern recognition algorithm works in the conditions it is designed for. If the measurement configuration will be changed, some modifications have to be done. Numerous improvements are proposed for the future 3D equipment.

Analysis of PACTEL small break LOCA experiment using TRACE

A small break loss-of-coolant accident (SBLOCA) is one of problems investigated in an NPP operation. Such accident can be analyzed using an experiment facility and TRACE thermal-hydraulic system code. A series of SBLOCA experiments was carried out on Parallel Channel Test Loop (PACTEL) facility, exploited together with Technical Research Centre of Finland VTT Energy and Lappeenranta University of Technology (LUT), in order to investigate two-phase phenomena related to a VVER-type reactor. The experiments and a TRACE model of the PACTEL facility are described in the paper. In addition, there is the TRACE code description with main field equations. At the work, calculations of a SBLOCA series are implemented and after the calculations, the thesis discusses the validation of TRACE and concludes with an assessment of the usefulness and accuracy of the code in calculating small breaks.

Analysis of PWR-PACTEL Small Break LOCA experiment using TRACE

Currently, the power generation is one of the most significant life aspects for the whole man-kind. Barely one can imagine our life without electricity and thermal energy. Thus, different technologies for producing those types of energy need to be used. Each of those technologies will always have their own advantages and disadvantages. Nevertheless, every technology must satisfy such requirements as efficiency, ecology safety and reliability. In the matter of the power generation with nuclear energy utilization these requirements needs to be highly main-tained, especially since accidents on nuclear power plants may cause very long term deadly consequences. In order to prevent possible disasters related to the accident on a nuclear power plant strong and powerful algorithms were invented in last decades. Such algorithms are able to manage calculations of different physical processes and phenomena of real facilities. How-ever, the results acquired by the computing must be verified with experimental data.

Laskentamalli PKL-koelaitteiston pienen vuodon kokeen simuloimiseksi Apros-ohjelmistolla

Työn tavoitteena oli tehdä Apros-laskentamalli PKL-koelaitteistosta ja testata kuinka hyvin Apros pystyy laskemaan PKL-koelaitteistolla suoritetun E2.2 pienen vuodon kokeen. Tavoitteena oli myös tarkastella boorittoman veden tulpan etenemistä pienen vuodon kokeen aikana. PKL-koelaitteisto vastaa saksalaista sähköteholtaan 1300 MW olevaa Philippsburg 2 painevesilaitosta. Koelaitteiston tilavuudet ja teho on skaalattu kertoimella 145. Työssä tehdyllä laskentamallilla tarkasteltiin boorittoman veden tulpan liikkumista pienen vuodon kokeen aikana. Kun malli oli valmis, laskenta suoritettiin Apros 5.05 versiolla. Boorittoman veden tulpan etenemisen laskennassa käytettiin toisen kertaluvun diskretointia, jolla booripitoisuuden muutokset säilyvät teräväreunaisina. Laskentamalli pystyi kuvaamaan koelaitteistolla suoritetussa pienen vuodon kokeessa tapahtuneet ilmiöt varsin hyvin. Eroa koetuloksiintuli pääkiertopiirien luonnonkiertojen alkamishetkistä ja primääripaineen käyttäytymisessä. Kokeen alkutilanne ei ollut stationääritila, joten alkutilanteen asettamisessa oli hankaluuksia. Varsinkin pääkiertopiirien veden pinnankorkeuksienasettamisessa oli vaikeuksia, koska veden pinnankorkeuksien erot pyrkivät tasoittumaan nopeasti kokeen aikana. Apros pystyi laskemaan PKL-koelaitteistolla suoritetun pienen vuodon kokeen hyvin. Mallilla tulisi kuitenkin laskea vielä toisentyyppisiäkin kokeita, ennen kuin voidaan varmuudella tietää mallin toimivuus. PKL-koelaitteisto vastaa pääpiirteiltään Suomeen rakennettavaa Olkiluoto 3 ydinvoimalaitosta. Tehty työ antaa lisävarmuutta, kun Olkiluoto 3 laitoksen turvallisuustarkasteluita tehdään.

Ydinvoimalaitoksen varalla olevien turvallisuusjärjestelmien määräaikaistestausten riittävyys ja kattavuus

Ydinvoimalaitoksen varalla olevien turvallisuusjärjestelmien tehtävänä on ehkäistä häiriö- ja onnettomuustilanteiden syntyminen sekä lieventää mahdollisen onnettomuuden seurauksia. Jotta saadaan tietoa näiden tärkeiden järjestelmien käyttökunnosta, on suoritettava riittäviä ja kattavia määräaikaistestauksia. Tutkimuksen pääkohteena ovat Olkiluodon voimalaitoksen matala- ja korkeapaineisten hätäjäähdytysjärjestelmien määräaikaistestaukset ja niiden ohjeet. Määräaikaistestauksista arvioidaan niiden kykyä havainnoida vikoja, mahdollisia vikaantumisia testauksissa, testausten taajuutta sekä vastaavuutta järjestelmien suunnitteluperusteena olevaan jäähdytteenmenetysonnettomuuteen (LOCA). Lisäksi selvitetään, mitä hyötyä testausten hajautuksilla ja diversifioinnilla on saavutettu, ja miten niitä tulisi jatkossa soveltaa. Testauksiin liittyviä ohjeita ja menettelyjä arvioidaan tarkastelemalla, täyttävätkö ne viranomaisen asettamat vaatimukset. Tulokseksi syntyi arvio järjestelmien testausten nykytilasta, joka on yleisesti ottaen hyvä. Tähän ovat vaikuttaneet testauksissa esiintyneiden puutteiden korjaaminen ja määräaikaistestausten määräajoin tapahtuvan arvioinnin kehittäminen. Vertailut LO-CA:an tuottivat tyydyttävän tuloksen, koska testausten todettiin olevan riittävän laajat ja vastaavan vuodessa kertyvien rasitusten osalta noin vuorokauden aikaista onnettomuutta lähes kaikilla laitteilla. Suositeltavaa olisi suorittaa pitkäaikaisempaa testausta apusyöttövesijärjestelmän pumpulle. Optimitestausvälin mukaisesti testausvälit ovat tällä hetkellä riittävän tiheät, ja muutamia testauksia pitäisi jopa harventaa. Hajautuksilla on saavutettu huomattava riskin väheneminen, ja nykyisin hajautusta sovelletaan hätäjäähdytysjärjestelmissä laajasti. Joistakin mittalaitteiden testauksista hajautus vielä puuttuu, joten näihin se olisi suositeltavaa lisätä. Järjestelmien testausten diversifiointi on nykyisellään riittävää.

OL1/OL2-suojarakennuksen jäähdytteenmenetysonnettomuusanalyysit APROS 5.09 -ohjelmistolla

Tässä työssä on tutkittu OL1/OL2-suojarakennuksen käyttäytymistä jäähdytteenmenetysonnettomuuden eli LOCA:n aikana. Onnettomuuden simulointiin on kehitetty suojarakennusmalli suomalaiseen APROS 5.09 - ohjelmistoon sisältyvällä LP-koodilla (Lumped Parameter Code). Työssä on keskitytty suojarakennuksen kannalta oleellisimpien suureiden: kaasutilavuuksien paineen sekä lämpötilan ja lauhdutusaltaan lämpötilan ja pinnankorkeuden ajalliseen käyttäytymiseen. Mallinnetut LOCA:t ovat päähöyrylinjan ja sammutetun reaktorin jäähdytysjärjestelmän putkikatkoksia. Simulointeja on tehty laitoksen täyden tehon ja kuumavalmiuden lähtötiloissa ja tarkasteltavien suureiden käyttäytymistä on tutkittu erikseen valituilla konservatiivisilla oletuksilla. Laskentatapaukset rajoittuvat lyhyeen aikaväliin 27.78 tuntia kuvitellusta putkirikosta eteenpäin. Tuloksia on verrattu OL1/OL2- laitostoimittajan, Westinghouse Electric Sweden AB:n, tekemiin lisensiointianalyyseihin. Työssä on myös kuvattu APROS-laskennan epävarmuustekijöitä. Suojarakennuksen on todettu käyttäytyvän fysikaalisesti yhtenevästi lisensiointianalyyseissä ja APROS:lla tehdyissä vertailulaskuissa.

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.

The Effects of Anesthetic Induced Loss of Consciousness on Quantitative Electroen Cephalogram, and Bispectral and Spectral Entropy Indices. Studies on Healthy Male

Changes in the electroencephalography (EEG) signal have been used to study the effects of anesthetic agents on the brain function. Several commercial EEG based anesthesia depth monitors have been developed to measure the level of the hypnotic component of anesthesia. Specific anesthetic related changes can be seen in the EEG, but still it remains difficult to determine whether the subject is consciousness or not during anesthesia. EEG reactivity to external stimuli may be seen in unconsciousness subjects, in anesthesia or even in coma. Changes in regional cerebral blood flow, which can be measured with positron emission tomography (PET), can be used as a surrogate for changes in neuronal activity. The aim of this study was to investigate the effects of dexmedetomidine, propofol, sevoflurane and xenon on the EEG and the behavior of two commercial anesthesia depth monitors, Bispectral Index (BIS) and Entropy. Slowly escalating drug concentrations were used with dexmedetomidine, propofol and sevoflurane. EEG reactivity at clinically determined similar level of consciousness was studied and the performance of BIS and Entropy in differentiating consciousness form unconsciousness was evaluated. Changes in brain activity during emergence from dexmedetomidine and propofol induced unconsciousness were studied using PET imaging. Additionally, the effects of normobaric hyperoxia, induced during denitrogenation prior to xenon anesthesia induction, on the EEG were studied. Dexmedetomidine and propofol caused increases in the low frequency, high amplitude (delta 0.5-4 Hz and theta 4.1-8 Hz) EEG activity during stepwise increased drug concentrations from the awake state to unconsciousness. With sevoflurane, an increase in delta activity was also seen, and an increase in alpha- slow beta (8.1-15 Hz) band power was seen in both propofol and sevoflurane. EEG reactivity to a verbal command in the unconsciousness state was best retained with propofol, and almost disappeared with sevoflurane. The ability of BIS and Entropy to differentiate consciousness from unconsciousness was poor. At the emergence from dexmedetomidine and propofol induced unconsciousness, activation was detected in deep brain structures, but not within the cortex. In xenon anesthesia, EEG band powers increased in delta, theta and alpha (8-12Hz) frequencies. In steady state xenon anesthesia, BIS and Entropy indices were low and these monitors seemed to work well in xenon anesthesia. Normobaric hyperoxia alone did not cause changes in the EEG. All of these results are based on studies in healthy volunteers and their application to clinical practice should be considered carefully.

VVER-640 -reaktorityypin passiiviset turvallisuusominaisuudet

Turvallisuussuunnittelu muodostaa merkittävän osan ydinvoimalaitoksen suunnit-telutyöstä. Uusissa laitoskonsepteissa turvallisuutta on pyritty parantamaan lisää-mällä perinteisten aktiivisten hätäjärjestelmien rinnalle passiivisia eli toiminnal-taan puhtaasti luonnonlakeihin perustuvia hätäjärjestelmiä. Sähköteholtaan 640 MW oleva VVER-640 -laitostyyppi edustaa tässä suhteessa viimeisintä kehi-tysaskelta venäläisten VVER kevytvesireaktorien sarjassa. Suunnittelun lähtökoh-tana on ollut turvallisuuden parantaminen verrattuna aikaisempiin VVER-malleihin. Tähän on pyritty hätäjärjestelmien passiivisella toteutuksella. Passiivis-ten järjestelmien mitoitusperusteena on ollut laitoksen selviäminen itsenäisesti 24 tunnin ajan mahdollisissa onnettomuustilanteissa ilman suojarakennuksen tiiviy-den menetystä. Relap5-ohjelmalla tehtyjen simulointien perusteella laitoksen pas-siiviset järjestelmät näyttäisivät pystyvän huolehtimaan laitoksen turvallisuudesta sekä jäähdytteen- että sähkönmenetysonnettomuuksissa ilman aktiivisten järjes-telmien apua vaaditut 24 tuntia.

Vuosihuollon aikainen käyttöturvallisuus

Tässä työssä on tarkasteltu Suomessa käytössä olevien ydinvoimalaitosten vuosihuoltojen aikaista käyttöturvallisuutta yleisesti sekä arvioitu voimayhtiöiden vuosihuoltojen aikaisten häiriö- ja hätätilanteiden varalta laatimien ohjeiden kattavuutta. Kattavuuden arviointi suoritettiin tarkastelemalla seisokkitiloja käsitteleviä todennäköisyysperusteista riskianalyysia (PRA), lopullista turvallisuusselostetta (FSAR) ja turvallisuusteknisiä käyttöehtoja (TTKE). PRA:n mukaan Olkiluodon 1 ja 2 laitosyksiköiden sydänvauriotaajuudesta noin 25 % liittyy vuosihuollon aikaisiin alkutapahtumiin. Loviisan laitosyksiköillä vastaava osuus on noin 61 %. Merkittävimmät vuosihuoltojen aikaiset alkutapahtumat sydänvaurioriskin kannalta olivat Olkiluodossa tulipalot, jäähdytteen menetykset ja jälkilämmön poiston menetykset sekä Loviisassa raskaan taakan pudotukset, booripitoisuuden laimeneminen ja öljyonnettomuudet. Saatujen tulosten perusteella voitiin todeta, että voimayhtiöiden laatimat häiriö- ja hätätilanneohjeet olivat pääosiltaan asianmukaiset ja ne kattoivat hyvin erilaiset seisokin aikaiset alkutapahtumat. Tarkastelun perusteella tehtiin ohjeistoon muutamia parannusehdotuksia. Seisokkitiloja koskevat TTKE ja FSAR havaittiin asianmukaisiksi molemmilla tarkastelluilla laitoksilla.

Epävarmuustarkastelun soveltaminen deterministisissä turvallisuusanalyyseissä

Tässä diplomityössä esitetään selvitys käytössä olevista deterministisistä turvallisuusanalyysimenetelmistä. Deterministisillä turvallisuusanalyyseillä arvioidaan ydinvoimalaitosten turvallisuutta eri käyttötilojen aikana. Voimalaitoksen turvallisuusjärjestelmät mitoitetaan deterministisen turvallisuusanalyysin tulosten perusteella. Deterministiset turvallisuusanalyysit voidaan laatia konservatiivista tai tilastollista menetelmää käyttäen. Konservatiivinen menetelmä pyrkii mallintamaan tarkasteltavan tilanteen siten, että laitoksen todellinen käyttäytyminen on hyvällä varmuudella lievempää kuin analyysitulos. Konservatiivisessa menetelmässä analyysin epävarmuudet huomioidaan konservatiivisilla oletuksilla. Tilastollinen menetelmä perustuu parhaan arvion menetelmään eli pyrkimykseen mallintaa laitoksen käyttäytyminen mahdollisimman todenmukaisesti. Tilastollisessa menetelmässä analyysin epävarmuudet määritetään systemaattisesti tilastomatematiikan keinoin. Työssä painotetaan tilastollisen analyysin epävarmuuksien määritykseen käytettäviä epävarmuustarkastelumenetelmiä. Diplomityön laskennallisessa osassa vertaillaan deterministisen turvallisuusanalyysin laadintaan käytettäviä menetelmiä termohydraulisen turvallisuusanalyysiesimerkin laskennan kautta. Laskennassa tarkasteltavana onnettomuutena on Olkiluoto 3-laitosyksikössä tapahtuva primäärijäähdytepiirin putkikatkosta aiheutuva jäähdytteenmenetysonnettomuus. Lasketun esimerkkitapauksen perusteella tilastollista ja konservatiivista menetelmää voidaan pitää vaihtoehtoisina turvallisuusanalyysin laadintaan. Molemmat analyysit tuottivat hyväksyttäviä ja toisilleen verrannollisia tuloksia, joiden suuruusluokka on sama.

Effects of Obesity and Weight Loss Following Bariatric Surgery on Brain Function, Structural Integrity and Metabolism

Obesity is one of the key challenges to health care system worldwide and its prevalence is estimated to rise to pandemic proportions. Numerous adverse health effects follow with increasing body weight, including increased risk of hypertension, diabetes, hypercholesterolemia, musculoskeletal pain and cancer. Current evidence suggests that obesity is associated with altered cerebral reward circuit functioning and decreased inhibitory control over appetitive food cues. Furthermore, obesity causes adverse shifts in metabolism and loss of structural integrity within the brain. Prior cross-sectional studies do not allow delineating which of these cerebral changes are recoverable after weight loss. We compared morbidly obese subjects with healthy controls to unravel brain changes associated with obesity. Bariatric surgery was used as an intervention to study which cerebral changes are recoverable after weight loss. In Study I we employed functional magnetic resonance imaging (fMRI) to detect the brain basis of volitional appetite control and its alterations in obesity. In Studies II-III we used diffusion tensor imaging (DTI) and voxel-based morphometry (VBM) to quantify the effects of obesity and the effects of weight loss on structural integrity of the brain. In study IV we used positron emission tomography (PET) with [18F]-FDG in fasting state and during euglycemic hyperinsulinemia to quantify effects of obesity and weight loss on brain glucose uptake. The fMRI experiment revealed that a fronto-parietal network is involved in volitional appetite control. Obese subjects had lower medial frontal and dorsal striatal brain activity during cognitive appetite control and increased functional connectivity within the appetite control circuit. Obese subjects had initially lower grey matter and white matter densities than healthy controls in VBM analysis and loss of integrity in white matter tracts as measured by DTI. They also had initially elevated glucose metabolism under insulin stimulation but not in fasting state. After the weight loss following bariatric surgery, obese individuals’ brain volumes recovered and the insulin-induced increase in glucose metabolism was attenuated. In conclusion, obesity is associated with altered brain function, coupled with loss of structural integrity and elevated glucose metabolism, which are likely signs of adverse health effects to the brain. These changes are reversed by weight loss after bariatric surgery, implicating that weight loss has a causal role on these adverse cerebral changes. Altogether these findings suggest that weight loss also promotes brain health.Key words: brain, obesity, bariatric surgery, appetite control, structural magnetic resonance