The impact of nuclear reactor size and type on passivity of decay heat removal safety function

Abstract

This thesis investigated how reactor size and type affect the feasibility of passive decay heat removal under SBO conditions. The study focused on PWRs, LFRs, and HTGRs, and included a conduction cooldown case study for a 15 MW HTGR representative of the Micro Modular Reactor (MMR) design by USNC. Higher power levels were also investigated.

PWRs rely on natural circulation with time-limited coolant inventories for passive decay heat removal, placing the practical limit for inherent passive decay heat removal in the range of tens of MWs. LFRs also depend on natural circulation and require heat rejection through the vessel or cavity, limiting the range to a few hundred MW.

HTGRs can rely on conduction and radiation without coolant motion, remaining inherently passive also on the order of a few hundred MWs. The case study demonstrated that the 15 MW configuration maintained thermal margins during protected station blackout and retained a finite margin even when the power was increased by an order of magnitude.

Overall, inherent and indefinite passive decay heat removal was feasible only at small scale, while higher power levels remained possible but required engineered safety features to maintain equivalent margins. Passive measures can still contribute to decay heat removal above these ranges, but their operation becomes time-limited and they cannot be relied upon as the sole means of decay heat removal.

Tässä työssä tutkittiin, miten reaktorin koko ja tyyppi vaikuttavat passiivisen jälkilämmönpoiston turvallisuustoimintojen toteuttamiseen täydellisessä vaihtosähkönmenetyksessä. Tarkastelu kohdistui PWR-, LFR- ja HTGR-reaktoreihin, ja työn osana tehtiin lämmönjohtumiseen perustuva laskenta 15 MW:n HTGR-reaktorille, joka edustaa USNC:n Micro Modular Reactor (MMR) -konseptia. Myös korkeampia tehotasoja laskettiin samalle reaktorille.

PWR-reaktoreissa passiivinen jälkilämmönpoisto perustuu luonnonkiertoon ja rajallisiin vesivarastoihin, jolloin luontaisesti passiivisen toiminnan käytännön yläraja sijoittuu kymmenien megawattien teholuokkaan. LFR-reaktoreissa jälkilämmönpoisto perustuu niin ikään luonnonkiertoon sekä lämmönsiirtoon reaktoripaineastian ja reaktorikuilun kautta, mikä rajoittaa passiivista toimintaa muutamien satojen megawattien tehoihin.

HTGR-reaktoreissa lämpö voidaan poistaa johtumisen ja lämpösäteilyn avulla ilman jäähdytysnesteen virtausta, ja passiivinen toiminta on mahdollista myös useiden satojen megawattien teholla. Laskenta osoitti, että 15 MW:n reaktori säilytti lämpötilamarginaalin suojatussa täydellisessä vaihtosähkönmenetyksessä, ja marginaalia jäi jäljelle vielä tehon kasvaessa kymmenkertaiseksi.

Kokonaisuutena havaittiin, että luontaisesti passiivinen ja ajallisesti rajoittamaton jälkilämmönpoisto on mahdollista vain pienillä tehotasoilla. Suuremmilla tehotasoilla jälkilämmönpoisto on edelleen toteutettavissa, mutta se edellyttää suunniteltuja turvajärjestelmiä saman turvallisuustason ylläpitämiseksi. Passiiviset menetelmät voivat tukea turvallisuustoimintoja myös näiden rajojen yläpuolella, mutta niiden toiminta muuttuu ajallisesti rajalliseksi, eikä niitä voida käyttää ainoana jälkilämmönpoistomenetelmänä.