Overall safety and the '3S' of small modular reactors
Valkeapää, Aleksi (2021)
Diplomityö
2021
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021120859615
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2021120859615
Tiivistelmä
The topic of this master’s thesis is the Overall Safety of nuclear power. Safety, Security and Safeguards are part of Overall Safety. These three form three safety entities ('the 3S') at the nuclear power plant.
The thesis contributes to research on Overall Safety in two different ways. The already existing tool (ORSAC) is developed further. Such development is done in the theory part by looking for similarities between ‘the 3S’. In addition, Safety, Security and Safeguards (‘3S’) are being surveyed in the context of small modular reactors. The work has been done as a case study for four different SMR designs (NuScale, BWRX-300, RUTA-70, and KLT-40S). The main emphasis has been on assessing the implementation of current technical requirements and safeguardability of the designs.
The development of the Overall safety conceptual framework resulted in an integrated tool for all three ‘S’. The integration of Safety, Security, and Safeguards was identified as possible using the Defence-in-Depth concept and the acceptance criteria of their levels. The safety design of small modular reactors was found to be systematically based on Defence-in-Depth principle and to include both passive safety systems and inherent safety features. The safety design was found to fulfil current requirements well. Regarding Security, the SMR designs under review were found to be following current requirements. With respect to Safeguards, conventional nuclear material accountancy and verification practices were largely identified as applicable. The simultaneous presence of several modules (NuScale), the design capability for misuse (RUTA-70), and the mobility of the floating power unit (KLT-40S) were identified as major challenges for Safeguards. Organizational requirements and design considerations were identified as important for Security and Safeguards. Tämän diplomityön aiheena on ydinvoiman kokonaisturvallisuus (overall safety). Turvallisuus (safety), turvajärjestelyt (security) ja ydinmateriaalivalvonta (safeguards) ovat osa kokonaisturvallisuutta. Nämä kolme yhdessä muodostavat kolmen turvallisuuden kokonaisuuden (’the 3S’) ydinvoimalaitoksella.
Diplomityössä edistetään kokonaisturvallisuutta koskevaa tutkimusta kahdella eri menetelmällä. Jo laadittua työkalua (kokonaisturvallisuuden viitekehystä) pyritään kehittämään eteenpäin. Tämä tehdään teoriaosuuden yhteydessä etsimällä samankaltaisuuksia kolmen turvallisuuden välillä. Lisäksi turvallisuutta, turvajärjestelyitä ja ydinmateriaalivalvontaa (’3S’) tarkastellaan pienten modulaaristen reaktoreiden kontekstissa. Työ on tehty tapaustutkimuksena neljälle eri SMR-laitokselle (NuScale, BWRX-300, RUTA-70 ja KLT-40S). Pääpaino on ollut nykyisten teknisten vaatimusten ja laitosten ydinmateriaalivalvontakelpoisuuden arvioinnissa.
Kokonaisviitekehyksen kehittämisen tuloksena saavutettiin integroitu työkalu kolmelle turvallisuudelle. Turvallisuuden, turvajärjestelyiden ja ydinmateriaalivalvonnan yhdistäminen todettiin mahdolliseksi syvyyspuolustuskonseptin ja siihen liittyvien tasojen hyväksymiskriteerien avulla. Pienten modulaaristen reaktoreiden turvallisuussuunnittelun havaittiin järjestelmällisesti noudattavan syvyyspuolustuksen periaatetta sekä käsittävän passiivisia turvajärjestelmiä ja luontaisia turvallisuusominaisuuksia. Laitosten turvallisuussuunnittelun arvioitiin täyttävän nykyisiä vaatimuksia hyvin. Turvallisuusjärjestelyjen suunnittelun osalta tarkastelun kohteena olleiden laitosten todettiin noudattavan nykyisiä teknisiä vaatimuksia. Ydinmateriaalivalvonnan osalta havaittiin laitosten seuraavan pitkälti perinteisiä ydinmateriaalikirjanpidon ja varmentamisen käytäntöjä. Useiden moduulien samanaikainen läsnäolo (NuScale), laitoksen väärinkäyttömahdollisuudet (RUTA-70) ja lauttalaitoksen liikutettavuus (KLT-40S) todettiin suurimmiksi ydinmateriaalivalvonnan haasteiksi. Organisatoriset vaatimus- ja suunnittelunäkökohdat todettiin tärkeiksi turvajärjestelyille ja ydinmateriaalivalvonnalle.
The thesis contributes to research on Overall Safety in two different ways. The already existing tool (ORSAC) is developed further. Such development is done in the theory part by looking for similarities between ‘the 3S’. In addition, Safety, Security and Safeguards (‘3S’) are being surveyed in the context of small modular reactors. The work has been done as a case study for four different SMR designs (NuScale, BWRX-300, RUTA-70, and KLT-40S). The main emphasis has been on assessing the implementation of current technical requirements and safeguardability of the designs.
The development of the Overall safety conceptual framework resulted in an integrated tool for all three ‘S’. The integration of Safety, Security, and Safeguards was identified as possible using the Defence-in-Depth concept and the acceptance criteria of their levels. The safety design of small modular reactors was found to be systematically based on Defence-in-Depth principle and to include both passive safety systems and inherent safety features. The safety design was found to fulfil current requirements well. Regarding Security, the SMR designs under review were found to be following current requirements. With respect to Safeguards, conventional nuclear material accountancy and verification practices were largely identified as applicable. The simultaneous presence of several modules (NuScale), the design capability for misuse (RUTA-70), and the mobility of the floating power unit (KLT-40S) were identified as major challenges for Safeguards. Organizational requirements and design considerations were identified as important for Security and Safeguards.
Diplomityössä edistetään kokonaisturvallisuutta koskevaa tutkimusta kahdella eri menetelmällä. Jo laadittua työkalua (kokonaisturvallisuuden viitekehystä) pyritään kehittämään eteenpäin. Tämä tehdään teoriaosuuden yhteydessä etsimällä samankaltaisuuksia kolmen turvallisuuden välillä. Lisäksi turvallisuutta, turvajärjestelyitä ja ydinmateriaalivalvontaa (’3S’) tarkastellaan pienten modulaaristen reaktoreiden kontekstissa. Työ on tehty tapaustutkimuksena neljälle eri SMR-laitokselle (NuScale, BWRX-300, RUTA-70 ja KLT-40S). Pääpaino on ollut nykyisten teknisten vaatimusten ja laitosten ydinmateriaalivalvontakelpoisuuden arvioinnissa.
Kokonaisviitekehyksen kehittämisen tuloksena saavutettiin integroitu työkalu kolmelle turvallisuudelle. Turvallisuuden, turvajärjestelyiden ja ydinmateriaalivalvonnan yhdistäminen todettiin mahdolliseksi syvyyspuolustuskonseptin ja siihen liittyvien tasojen hyväksymiskriteerien avulla. Pienten modulaaristen reaktoreiden turvallisuussuunnittelun havaittiin järjestelmällisesti noudattavan syvyyspuolustuksen periaatetta sekä käsittävän passiivisia turvajärjestelmiä ja luontaisia turvallisuusominaisuuksia. Laitosten turvallisuussuunnittelun arvioitiin täyttävän nykyisiä vaatimuksia hyvin. Turvallisuusjärjestelyjen suunnittelun osalta tarkastelun kohteena olleiden laitosten todettiin noudattavan nykyisiä teknisiä vaatimuksia. Ydinmateriaalivalvonnan osalta havaittiin laitosten seuraavan pitkälti perinteisiä ydinmateriaalikirjanpidon ja varmentamisen käytäntöjä. Useiden moduulien samanaikainen läsnäolo (NuScale), laitoksen väärinkäyttömahdollisuudet (RUTA-70) ja lauttalaitoksen liikutettavuus (KLT-40S) todettiin suurimmiksi ydinmateriaalivalvonnan haasteiksi. Organisatoriset vaatimus- ja suunnittelunäkökohdat todettiin tärkeiksi turvajärjestelyille ja ydinmateriaalivalvonnalle.