Effect of room temperature differences on safety-related reinforced concrete floors and walls in the reactor building of Olkiluoto 2 nuclear power plant

Abstract

This master’s thesis studied the integrity of the reinforced concrete walls and floors in the reactor building of the Olkiluoto 2 nuclear power plant between temperatures of 20 to 65 °C using FE modelling. The reactor building is monolithic where the number of structural joints is minimized. With room temperature differences, the building is imposed to two types of thermal stresses: primary thermal stresses arising from nonlinear temperature distributions due to transient effects and continuity thermal stresses arising from restrained deformations as the structure is statically indeterminate.

The goal of the study was to estimate the magnitudes of thermal stresses compared to structural, mechanical stresses in normal operational conditions and to determine if the thermal stresses are large enough to cause significant crack widths. The results of the FEA suggests that thermal stresses can induce tensile stresses that exceed those induced by the mechanical stresses in the reactor building even with temperature differences of 20 °C. However, the crack widths evaluated by the method given by Eurocode 2 are smaller than a recommended value of 0.3 mm with the current temperature distribution with a maximum temperature of some 40 °C. When the temperature and the temperature difference is increased to the maximum of the studied range, the crack width estimates exceed the recommended value, though remaining in values that generally are clearly under 1.0 mm. Additionally according to the results, creep tends to decrease the magnitude of thermal stresses, and no through-thickness cracking of concrete is expected. These results suggest that the integrity of the reactor building is not critically impaired in normal operational conditions between 20 and 65 °C. However, attention should be given to situations where thermal and mechanical stresses simultaneously induce tension to a structural piece.

The results of FEA also suggest that the magnitude of continuity thermal stresses dominate over the primary thermal stresses in this application. This can be explained by the thermal expansion restraining boundary conditions of the reactor building and the relatively low temperature scale coupled with the weak thermal convection between room air and concrete faces. In practice, this means that maintenance ramp-ups, where temperature develops with time, are not significant a risk considering the integrity of the structure.

Tässä diplomityössä tarkasteltiin Olkiluoto 2 -ydinvoimalayksikön reaktorirakennuksen raudoitettujen betoniseinien ja -pohjien eheyttä 20 ja 65 °C:en lämpötilavälillä käyttäen FE-menetelmää. Kyseinen reaktorirakennus on monoliittinen, jolloin liikuntasaumojen määrä on pieni. Kun huoneiden välillä on lämpötilaeroja, rakennuksessa esiintyy kahdenlaisia lämpöjännityksiä: ensisijaisia lämpöjännityksiä, jotka syntyvät epälineaarisista lämpötilajakaumista aikariippuvaisten vaikutusten seurauksena sekä jatkuvuuslämpöjännityksiä, joita ilmenee estettyjen muodonmuutosten vuoksi rakenteen staattisen määräämättömyyden vuoksi.

Työn tavoitteena oli arvioida lämpöjännitysten suuruutta verrattuna rakenteellisiin, mekaanisiin jännityksiin normaaleissa käyttöolosuhteissa sekä määrittää, ovatko lämpöjännitykset tarpeeksi suuria aiheuttamaan merkittäviä halkeamaleveyksiä. FE-analyysin perusteella lämpöjännitykset voivat aiheuttaa reaktorirakennuksessa vetojännityksiä, joiden suuruus ylittää mekaaniset vetojännitykset jo 20 °C:n lämpötilaerolla. Eurokoodi 2:n halkeamaleveysmenetelmän perusteella aiheutuvat halkeamaleveydet ovat kuitenkin pienempiä kuin suositteluarvo 0.3 mm nykyisellä lämpötilajakaumalla, jossa lämpötilat nousee maksimissaan noin 40 C-asteeseen. Lämpötilan ja lämpötilaeron kasvaessa tarkasteluvälin maksimiin arvioidut halkeamaleveydet ylittävät suositteluarvon jääden kuitenkin yleisesti selvästi alle 1.0 mm lukemiin. Lisäksi tulosten perusteella viruma pienentää lämpöjännitysten suuruutta, eikä betonin halkeilu ole odotettavaa koko paksuuden läpi. Nämä tulokset viittaavat siihen, ettei reaktorirakennuksen eheys heikkene kriittisesti normaaleissa käyttöolosuhteissa 20 ja 65 °C:en lämpötilavälillä. Tilanteisiin, joissa lämpöjännitykset ja mekaaniset jännitykset aiheuttavat samanaikaisesti vetoa rakenneosiin tulisi kuitenkin kiinnittää huomiota.

FE-analyysin tulokset viittaavat myös siihen, että jatkuvuuslämpöjännitysten suuruus dominoi ensisijaisiin lämpöjännityksiin verraten tässä kohteessa. Tämän voi selittää reaktorirakennuksen lämpölaajenemista rajoittavilla reunaehdoilla sekä suhteellisen matalan lämpötilaeron ja betonipintojen ja huoneilman heikon konvektion yhteisvaikutuksella. Käytännössä tämä tarkoittaa, että huoltokatkojen jälkeinen prosessin uudelleenkäynnistys, jolloin lämpötila kehittyy ajan myötä, ei ole merkittävä riski betonirakenteen eheyttä ajatellen.