Safety assessment of interim spent nuclear fuel storage
Tynys, Hanna (2017)
Diplomityö
Tynys, Hanna
2017
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201705186613
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201705186613
Tiivistelmä
This master's thesis focuses on safety of interim spent nuclear fuel storages and presents thermal hydraulic safety analyses which are performed for a wet pool storage. Advantages and challenges of two storage types, a wet pool storage and a dry cask storage, are studied. The safety issues are considered during normal operation and also in accident scenarios. The storage types are specially considered in the point of view of Hanhikivi 1 spent fuel storage, which is currently in a design phase. Safety features of the storage of Hanhikivi 1 are also discussed in different accident scenarios.
Interim spent fuel storages are commonly considered safe due to the low decay heat of fuel. Historically no accidents with serious consequences have occurred. The key design objective is that severe fuel damages in storages shall be practically eliminated by design.
Dryout of a fuel pool and uncovering of the fuel in a wet storage is recognized to be the most serious accident scenario, especially in considering possible intense oxidation and the ignition of the zirconium cladding of the fuel. However such fuel uncovering and a zirconium fire are highly unlikely, due to the low decay heat of the fuel and the long time delays in question. Mechanisms of oxidation and zirconium fire are studied by using reference material from literature.
In this thesis thermal hydraulic safety analyses for Hanhikivi 1 wet storage concept are performed by using Apros simulation tool. The natural safety features, especially the long time frame needed for heating of the large water mass and the safety functions were sufficient to keep the fuel uncovered and intact in the analysed initiating events. The analyses will be used as a part of licensing material of spent fuel storage of Hanhikivi 1. Tässä diplomityössä tutkitaan käytetyn ydinpolttoaineen väliaikaisvarastoinnin turvallisuutta sekä tehdään turvallisuusanalyysejä vesiallasvarastolle. Työssä tutustutaan käytetyn polttoaineen kuiva- ja märkävarastoihin ja tyyppien etuihin ja haittoihin. Välivarastojen turvallisuutta kartoitetaan sekä pitkäaikaisturvallisuuden että onnettomuusskenaarioiden osalta. Varastointiin tutustutaan erityisesti suunnitteilla olevan Hanhikivi 1:n käytetyn polttoaineen varaston näkökulmasta. Hanhikivi 1:n varaston luontaisia turvallisuusominaisuuksia on tarkasteltu myös onnettomuusskenaarioiden yhteydessä. Polttoaineen välivarastointia pidetään yleisesti ottaen turvallisena polttoaineen matalan jälkilämpötehon vuoksi. Historiallisesti vakavia onnettomuuksia ei ole tapahtunut. Tärkein suunnittelutavoite on suunnittelutoimenpitein käytännössä eliminoida polttoaineen merkittävät vauriot. Märkävarastojen altaiden kuivuminen ja polttoaineen paljastuminen tunnistetaan merkittävimmäksi onnettomuusmekanismiksi erityisesti siksi, että se voi johtaa polttoaineen zirkonium-suojakuoren voimakkaaseen hapettumiseen ilmassa, zirkonium-tulipaloon. Käytetyn polttoaineen pidempiaikaisten varastojen osalta zirkonium-palo on epätodennäköinen polttoaineen alhaisen jälkilämpötehon vuoksi. Oksidoitumista ja zirkonium-palon mahdollisuutta ja mekanismeja on tarkasteltu lähdemateriaalin perusteella. Työssä tehdään myös turvallisuusanalyysejä vesiallasvarastolle Apros-ohjelmalla. Analyysien tuloksena todettiin aikaviiveet altaiden suuren vesimassan seurauksena pitkiksi sekä turvallisuusjärjestelmät riittäviksi polttoaineen jäähdytyksen turvaamiseksi tarkasteltujen alkutapahtumien yhteydessä. Analyysejä käytetään osana Hanhikivi 1:n käytetyn polttoaineen välivaraston lisensiointiaineistoa.
Interim spent fuel storages are commonly considered safe due to the low decay heat of fuel. Historically no accidents with serious consequences have occurred. The key design objective is that severe fuel damages in storages shall be practically eliminated by design.
Dryout of a fuel pool and uncovering of the fuel in a wet storage is recognized to be the most serious accident scenario, especially in considering possible intense oxidation and the ignition of the zirconium cladding of the fuel. However such fuel uncovering and a zirconium fire are highly unlikely, due to the low decay heat of the fuel and the long time delays in question. Mechanisms of oxidation and zirconium fire are studied by using reference material from literature.
In this thesis thermal hydraulic safety analyses for Hanhikivi 1 wet storage concept are performed by using Apros simulation tool. The natural safety features, especially the long time frame needed for heating of the large water mass and the safety functions were sufficient to keep the fuel uncovered and intact in the analysed initiating events. The analyses will be used as a part of licensing material of spent fuel storage of Hanhikivi 1.