Study on a submerged Small Modular Reactor: integral design, passive safety strategy and critical issues

Following the Fukushima-Daiichi nuclear accident in March 2011, the nuclear community has highlighted that current nuclear power plants might not be prepared to face extreme events, which can lead to the failure of the core cooling process due to a prolonged loss of heat sink. Technological innovations are therefore needed to improve the reliability of new generation nuclear power plants. This work deals with the design and safety analysis of a submerged nuclear power plant, where a horizontal cylindrical hull, placed on the floor of a sea or an artificial lake, hosts an integral pressurized Small Modular Reactor. The reference concept is Flexblue, a 160 MWel transportable and sub-sea based nuclear power unit developed by French company DCNS (now Naval Group). This type of reactor can rely on the presence of a large water reservoir, i.e. the water surrounding the containment, acting like an infinite heat sink. Such feature, combined with a fully passive safety strategy, can provide inherent protection towards Fukushima-like accident scenarios. The research activity of the doctoral program has been targeted at bringing an advancement to the research about the submerged SMR concept. The thesis addresses several issues regarding the reactor design and the safety strategy. The focus is mainly on the thermal-hydraulic aspects. The first goal of this work is to define a reactor layout satisfying the constraints of a submerged environment, since no feasible proposal had been done in the past. The concept of an integral PWR (iPWR) SMR, suitable to operate in a submerged containment, is introduced, providing a preliminary sizing of the primary components and a thermal-hydraulic verification of the steam generator. Then, a fully passive safety strategy is proposed: two reference thermal-hydraulic accident scenarios are identified, i.e., “intact” and “broken” primary system, tackling the analysis of the core cooling in the long-term period. System codes Relap5-Mod3.3 and Apros 6 are used to simulate accident scenarios and perform a preliminary safety verification. The thesis also sketches two proposals for experimental activities to validate the numerical models. In conclusion, the most relevant critical issues for the deployment of submerged SMRs are identified and discussed. The results of the numerical activities are encouraging, especially those regarding the safety analysis. The simulations predict a successful operation of the safety systems in the reference test cases, under conservative assumptions and boundary conditions. The designed systems allow exploiting the safety potentialities of the submerged concept. Also, the IRIS-like design of the reactor own interesting features, although it needs more detailed verifications and the design of a boron-free core, which optimizes the fuel cycle, represents a very challenging issue. Other engineering aspects, licensing procedures, international regulations and economic assessment are key challenges to be addressed to achieve the deployment of the reactor concept.

A seguito dell'incidente nucleare di Fukushima-Daiichi nel marzo 2011, l’industra nucleare ha evidenziato che le attuali centrali nucleari potrebbero non essere preparate ad affrontare eventi estremi, il che può portare al fallimento del processo di raffreddamento del nucleo a causa di una prolungata perdita del pozzo di raffreddamento. Sono quindi necessarie innovazioni tecnologiche per migliorare l'affidabilità delle centrali nucleari di nuova generazione. Questo lavoro riguarda l'analisi del design e delle caratteristiche di sicurezza di una centrale nucleare sommersa, in cui uno scafo cilindrico orizzontale, collocato sul fondale del mare o di un lago artificiale, contiene un reattore SMR pressurizzato. Il concetto di riferimento è Flexblue, un’unità nucleare da 160 MWel trasportabile e sottomarina sviluppata dalla società francese DCNS (ora Naval Group). Questo tipo di reattore può contare sulla presenza di un grande serbatoio d'acqua, cioè l'acqua che circonda il contenimento, che agisce come un serbatoio di calore infinito. Tale caratteristica, combinata con una strategia di sicurezza interamente passiva, può fornire protezione intrinseca verso gli scenari di incidenti simili a Fukushima. L'attività di ricerca del programma di dottorato è stata mirata ad un avanzamento nello studio di un SMR sommerso. La tesi affronta diversi problemi riguardanti la progettazione del reattore e la strategia di sicurezza. L'attenzione si concentra principalmente sugli aspetti termo-idraulici. Il primo obiettivo di questo lavoro è definire un layout del reattore che soddisfi i vincoli di un ambiente sommerso, dal momento che nessuna proposta fattibile è stata fatta in passato. Viene introdotto il concetto di un SMR integrale PWR (iPWR), adatto per funzionare in un contenitore cilindrico orizzontale, fornendo un dimensionamento preliminare dei componenti primari e una verifica termoidraulica del generatore di vapore. Quindi, viene proposta una strategia di sicurezza completamente passiva: vengono identificati due scenari di incidenti termico-idraulici di riferimento, vale a dire sistema primario "integro" o "non-integro", che affronta l'analisi del raffreddamento del nucleo nel lungo periodo. I codici di sistema Relap5-Mod3.3 e Apros 6 sono utilizzati per simulare scenari incidentali ed eseguire una verifica preliminare sulla sicurezza. La tesi inoltre delinea due proposte di attività sperimentali per validare i modelli numerici. In conclusione, vengono identificate e discusse le questioni critiche più rilevanti per l'implementazione di SMR sommersi. I risultati delle attività numeriche sono incoraggianti, specialmente quelli relativi all'analisi di sicurezza. Le simulazioni prevedono un buon funzionamento dei sistemi di sicurezza nei casi test di riferimento, in ipotesi di condizioni al contorno ed iniziali conservative. I sistemi progettati consentono di sfruttare le potenzialità di sicurezza date dall’ambiente sommerso. Inoltre, il design simile al reattore IRIS presenta caratteristiche interessanti, sebbene necessiti di verifiche più dettagliate e la progettazione della neutronica senza boro, che ottimizza il ciclo del combustibile, rappresenta un problema molto impegnativo. Altri aspetti ingegneristici, procedure di licenza, regolamenti internazionali e valutazione economica sono sfide chiave da affrontare per raggiungere il design finale del reattore.