Mechanical design of operator applied safeguard seals

This master thesis has been developed at the Seals & Identification Techniques Laboratory (SILab), part of the Nuclear Security Unit of the Joint Research Centre, the science and knowledge service of the European Commission. Based on the patent WO 2017/140575, filled by SILab members, this thesis aims to design two new concepts of safeguard seals for spent nuclear fuel storage casks. First of the seals, named as Operator Applied and Removed Sealing Bolt (OARS), is designed to be used in applications which require a temporary sealing system; whereas the second one, named as Operator Applied Permanent Sealing Bolt (OAPS), is designed for applications in which the installation of a permanent sealing system is required. The innovative aspect of these two new seals with respect to current seals is that they are designed to be fully installed/removed by operators of storage facilities, without the need of presence of inspectors at facilities: they include features that allow their remote monitoring and the verification of their correct installation. These new seals address the requirement of reducing current inspectorates’ workload. Both seals are optical, meaning that the monitoring is based on the reading of the amplitude of light pulses transmitted through optic cables housed inside the seals; optical signal is processed by an Active Optical Loop Seal (AOLS), an innovative electronic seal developed also at SILab. The mechanical design of components has been conducted using SolidWorks® CAD software, carefully considering the design criteria that sealing systems for this type of application must meet. During the design process, state-of-the-art techniques, as rapid prototyping using stereolithography technology to experimentally test the different design proposals, has been combined with tests on steel components and the advice given by SILab members, with great experience in designing systems for nuclear safeguards applications along the years. The design of the most critical components of both OARS and OAPS is thoroughly presented, as well as the assembly procedure of both seals, as it has been carefully considered during the design process, influencing the final sizing of some components. Results of testing initial prototypes manufactured in stainless steel are also presented. Finally, a review of how the different design criteria are met in the seals developed is presented, together with a discussion of the most relevant conclusions drawn during design process, and the next steps to be taken in the future to turn into reality the designs proposed.

Questa tesi di laurea magistrale è stata svilupata al Seals & Identification Techniques Laboratory (SILab), all’interno dell’ Unità di Sicurezza Nucleare del Centro Comune di Ricerca, il centro scientifico della Commissione Europea. Basandosi sul brevetto WO 2017/140575, depositato dal team del SILab, l’obiettivo di questa tesi è progettare due nuovi concetti di sigilli per la salvaguardia nucleare di contenitori per combustibile nucleare esausto. Il primo sigillo, chiamato Operator Applied and Removed Sealing Bolt (OARS), è progettato per essere utilizzato in situazioni in cui c’è bisogno di un sigillo temporaneo; mentre il secondo, chiamato Operator Applied Permanent Sealing Bolt (OAPS), è usato quando c’è bisogno di un sigillo permanente. La novità di questi due nuovi sigilli rispetto ai sigilli esistenti è che sono progettati per essere completamente installati/rimossi dagli operatori dei siti di stoccaggio, senza necessità della presenza di ispettori all’interno dei depositi: i nuovi sigilli presentano caratteristiche innovative che permettono il loro monitoraggio da remoto e la loro verifica di corretta installazione. Questa tesi risponde all’esigenza di ridurre il carico di lavoro attuale degli ispettorati. Entrambi i sigilli sono ottici, ovvero il monitoraggio è basato sulla lettura dell’ampiezza di impulsi di luce trasmessi attraverso la fibra ottica allogiata nei loro fori interni; il segnale ottico è elaborato attraverso un Active Optical Loop Seal (AOLS), un innovativo sigillo elettronico svilupato anch’esso dal SILab. Il disegno meccanico dei diversi componenti è stato fatto utilizzando il software SolidWorks®, considerando attentamente i criteri di progettazione che i sistemi di salvaguardia nucleare devono soddisfare. Durante la fase di sviluppo dei prototipi, sono state usate sia techniche moderne come stampa 3D con stereolitografia, per testare le diverse proposte progettate, sia test usando componenti di acciaio. La progettazione dei prototipi é stata supervisionata dai colleghi del Silab che hanno fornito importanti consigli tecnici grazie alla loro ottima esperienza nel campo dello sviluppo di sistemi per la salvaguardia nucleare. Il disegno dei componenti piú critici dei sigilli è descritto dettagliatamente, così come il processo di montaggio di entrambi, giá considerato approfonditamente durante la progettazione poiché decisivo per il dimensionamento di alcuni componenti. Inoltre, i risultati di test effettuati su alcuni prototipi fabbricati in acciaio inossidabile sono riportati nel testo. Infine, si riporta una revisione di come i diversi criteri di progettazione sono soddisfatti, insieme ad una discussione sulle principali conclusioni che il processo di progettazione ha apportato e ai prossimi passi da fare nel futuro per transformare in realtà i sigilli fino ad ora proposti.