Simulation and safety features of NuScale small modular reactor

Abstract

Small modular reactor (SMR) is a relatively recent concept in the nuclear power industry. Whereas the traditional large scale reactors are facing challenges due to their size, the small modular reactors intend to bypass the problems by utilizing aspects that their small size and modularity enables. However, the transition to SMRs includes many open questions. The energy industry and nuclear safety authorities are accustomed to large scale power plants, whereas experience with SMRs are shallow. This effectively creates a need for SMR studies, some of which this thesis aims to answer to. NuScale SMR was chosen as a focus of this thesis due to the concept’s reasonable level of maturity and its interesting utilization of passive safety systems.

In the framework of this thesis, a NuScale SMR simulation model is built using the Apros program. The model is used to validate Apros calculation required for SMR simulation.The second objective of this thesis is to present the specific safety features of NuScale SMR that differ from current nuclear power plants. They are presented from a technical point of view and are briefly projected on Finnish regulatory guides.

Feature projection reveals that many of the design features are fundamentally compatible with current guides with a few exceptions. In this thesis we perceive that among others the modular reactor mass production and passive functions could face challenges.

The simulation results show that Apros code is capable of SMR and passive safety system modelling. However, the results also show that precise simulation of passive safety systems would benefit from further code development on those fields. The thesis also presents modelling guidelines that are beneficial when Apros is used for SMR modelling.

Pienet modulaariset ydinreaktorit (SMR) ovat verrattain uusi konsepti ydinenergiateollisuudessa. Siinä missä tavalliset reaktorit kohtaavat huomattavia haasteita suuren kokonsa vuoksi, pienet modulaariset reaktorit pyrkivät kiertämään ne hyödyntämällä pienen kokonsa ja modulaarisuutensa mahdollistamia ominaisuuksia. Siirtyminen SMR:iin sisältää tosin myös avoimia kysymyksiä. Energiateollisuus ja ydinturvallisuusviranomaiset ovat tottuneet käsittelemään suuren kokoluokan laitoksia ja niihin liittyviä ilmiöitä, kun taas kokemukset SMR:istä ja niiden ilmiöistä ovat vähäisiä. Käytännössä tämä luo tarpeen SMR:iin kohdistuvalle tutkimukselle, jota tämäkin opinnäytetyö pyrkii tukemaan. NuScale SMR valittiin tämän työn tutkimuksen kohteeksi kyseisen konseptin kohtuullisen korkean valmiusasteen ja siinä hyödynnettävien mielenkiintoisten passiivisten ilmiöiden takia.

Työssä rakennetaan Apros-ohjelmalla simulointimalli NuScalen konseptin mukaisesta SMR -koelaitteistosta. Mallin avulla validoidaan Aprosin SMR:ien simuloimiseen tarvittavaa laskentaa. Työn toinen tavoite on esittää NuScalen konseptille suunniteltuja erityisesti nykyisistä ydinvoimalaitoksista eriäviä ominaisuuksia teknisestä näkökulmasta, ja verrata niitä Suomen ydinvoimalain ja ydinturvallisuusohjeiden (YVL-ohjeet) turvallisuusvaatimuksiin.

Ominaisuuksien projisointi paljastaa, että osa suunnitteluominaisuuksista sopii perustavanlaatuisella tasolla nykyisiin määräyksiin muutamin poikkeuksien. Työssä huomataan, että haasteita on muun muassa modulaaristen reaktoreiden massatuotannon ja passiivisten ominaisuuksien osalta.

Simulointitulokset osoittavat Aprosin nykytilassaan kykenevän SMR:ien ja passiivisten turvallisuustoimintojen mallinnukseen. Tulokset kuitenkin osoittavat, että passiivisten systeemien tarkka simulointi hyötyisi kyseisien alueiden koodien jatkokehityksestä.Työssä myös esitetään mallinnusperiaatteita, joita olisi hyvä noudattaa, kun Aprosilla mallinnetaan SMR:iä.