In recent years, there has been a growing interest in the design, development and commercialization of nuclear power Small Modular Reactors (SMRs). Actual SMR designs cover the full spectrum of nuclear reactor technologies, including water-, gas-, liquid-metal-, and molten-salt-cooled. Despite physical and technological differences, SMRs share some relevant design features, such as small size, modularity, inherent and passive safety systems. These features are expected to enhance availability, recoverability, promptness and robustness, thereby contributing to the resilience of power supply. Thanks to the peculiar design features of SMRs, they are likely to satisfy a number of Functional Requirements (FRs) for this objective, namely: (i) low vulnerability to external hazards; (ii) natural circulation of primary coolant; (iii) prompt, unlimited and independent core cooling under shutdown conditions; (iv) shutdown avoidance in response to variations of the offsite power supply quality and electrical load; (v) island mode operation; (vi) robust load-following; (vii) independent, self-cranking start. These make advanced Nuclear Power Plants (aNPPs) comprised of SMRs perfect candidates to withstand a broader range of natural disruptions and to recover faster from them, compared to conventional Nuclear Power Plants (cNPPs), thus rendering them a major potential asset for guaranteeing resilience and security of power supply. In this thesis work, we first review how Natural Technological (NaTech) events can impact on a typical Integrated Energy System (IES) within which SMRs are embedded: IESs are, indeed, being developed to integrate different power generation plants with gas facilities, through gas and electricity infrastructures, because they are expected to bring increased security and resilience of power supply, as shown in the qualitative case study presented. Then, we propose a three-loop Monte Carlo Simulation (MCS) framework to quantitatively assess the resilience of SMRs: without loss of generality, we operationalize it for a seismic resilience assessment embedding Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA), seismic fragility evaluation and multiple SMR units accident sequence analysis. A set of metrics are computed to capture different aspects of SMR resilience to earthquakes, specifically the ability to withstand seismic disruption, mitigate consequences and restore normal operation. The MCS framework allows accounting for the aleatory and epistemic uncertainties of the PSHA and fragility parameters. An application is given with regards to an aNPP consisting of four reactor units of NuScale SMR design. A comparison is made to a cNPP, i.e., a typical large reactor of equivalent generation capacity. Both plants are fictitiously located on the Garigliano nuclear site (southern Italy). The results show that resilient features of SMRs overcome cNPPs in terms of post-accident scenario mitigation and restoration capabilities.
Negli ultimi anni è cresciuto l’interesse per la progettazione, lo sviluppo e la commercializzazione di reattori nucleari modulari di piccola taglia (SMRs). Gli attuali modelli di SMR coprono l’intero spettro delle tecnologie di reattori nucleari, inclusi quelli raffreddati ad acqua, a gas, a metalli fusi e a sali fusi. Nonostante le differenze fisiche e tecnologiche, gli SMRs condividono alcune caratteristiche progettuali rilevanti, come la taglia ridotta, la modularità, i sistemi di sicurezza intrinseci e passivi. Queste caratteristiche dovrebbero migliorare la disponibilità, la recuperabilità, la prontezza e la robustezza del sistema, contribuendo così alla resilienza dell’approvvigionamento energetico. A tale scopo, grazie alle loro peculiari caratteristiche progettuali, gli SMRs dovrebbero soddisfare una serie di requisiti funzionali (FRs), ovvero: (i) bassa vulnerabilità ai pericoli esterni; (ii) circolazione naturale del fluido termovettore primario; (iii) raffreddamento del nocciolo tempestivo, illimitato e indipendente; (iv) esclusione dello shutdown in risposta alle variazioni della qualità di alimentazione elettrica esterna e carico; (v) funzionamento in island mode; (vi) robustezza nel seguire il carico; (vii) auto-avviamento indipendente. Questi FRs rendono le centrali nucleari avanzate (aNPPs) composte da SMRs perfette per resistere a una più ampia gamma di perturbazioni naturali, e riprendersi più velocemente da esse, rispetto alle centrali nucleari convenzionali (cNPPs), rendendole così un’importante potenziale risorsa per garantire la resilienza e la sicurezza dell’approvvigionamento energetico. In questo lavoro di tesi, prima revisioniamo il modo in cui gli eventi NaTech possono impattare su un tipico sistema energetico integrato (IES) in cui sono compresi gli SMRs: gli IESs, infatti, stanno essendo sviluppati per integrare diversi impianti di produzione di energia tramite l’infrastruttura elettrica e del gas, poiché si prevede che portino ad una maggiore sicurezza e resilienza dell’approvvigionamento energetico, come mostrato nel caso studio qualitativo presentato. In secondo luogo, proponiamo un quadro di simulazione Monte Carlo (MCS) a tre anelli per valutare quantitativamente la resilienza degli SMRs: senza perdere di generalità, lo attuiamo per una valutazione della resilienza sismica che incorpora l’analisi probabilistica del pericolo sismico (PSHA), la valutazione della fragilità sismica e l’analisi delle sequenze incidentali di unità SMR multiple. Si calcolano una serie di metriche per cogliere diversi aspetti della resilienza degli SMRs ai terremoti, nello specifico la capacità di resistere alla perturbazione sismica, mitigare le conseguenze e ripristinare il normale funzionamento. Il quadro MCS consente, in modo naturale, di rendere conto dell’incertezza aleatoria ed epistemica dei parametri PSHA e di fragilità. Viene presentata un’applicazione ad una aNPP composta da quattro unità reattore del modello SMR di NuScale. Viene fatto un confronto con una cNPP, i.e., un tipico reattore di grossa taglia dalla capacità di produzione equivalente. Entrambe le configurazioni sono fittiziamente collocate sul sito nucleare di Garigliano (Italia meridionale). I risultati mostrano che le caratteristiche di resilienza degli SMRs superano le cNPPs in termini di capacità di mitigazione e recupero dello scenario post-incidentale.
The Contribution of Small Modular Reactors to the Resilience of Power Supply
Bani, Lorenzo
2021/2022
Abstract
In recent years, there has been a growing interest in the design, development and commercialization of nuclear power Small Modular Reactors (SMRs). Actual SMR designs cover the full spectrum of nuclear reactor technologies, including water-, gas-, liquid-metal-, and molten-salt-cooled. Despite physical and technological differences, SMRs share some relevant design features, such as small size, modularity, inherent and passive safety systems. These features are expected to enhance availability, recoverability, promptness and robustness, thereby contributing to the resilience of power supply. Thanks to the peculiar design features of SMRs, they are likely to satisfy a number of Functional Requirements (FRs) for this objective, namely: (i) low vulnerability to external hazards; (ii) natural circulation of primary coolant; (iii) prompt, unlimited and independent core cooling under shutdown conditions; (iv) shutdown avoidance in response to variations of the offsite power supply quality and electrical load; (v) island mode operation; (vi) robust load-following; (vii) independent, self-cranking start. These make advanced Nuclear Power Plants (aNPPs) comprised of SMRs perfect candidates to withstand a broader range of natural disruptions and to recover faster from them, compared to conventional Nuclear Power Plants (cNPPs), thus rendering them a major potential asset for guaranteeing resilience and security of power supply. In this thesis work, we first review how Natural Technological (NaTech) events can impact on a typical Integrated Energy System (IES) within which SMRs are embedded: IESs are, indeed, being developed to integrate different power generation plants with gas facilities, through gas and electricity infrastructures, because they are expected to bring increased security and resilience of power supply, as shown in the qualitative case study presented. Then, we propose a three-loop Monte Carlo Simulation (MCS) framework to quantitatively assess the resilience of SMRs: without loss of generality, we operationalize it for a seismic resilience assessment embedding Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA), seismic fragility evaluation and multiple SMR units accident sequence analysis. A set of metrics are computed to capture different aspects of SMR resilience to earthquakes, specifically the ability to withstand seismic disruption, mitigate consequences and restore normal operation. The MCS framework allows accounting for the aleatory and epistemic uncertainties of the PSHA and fragility parameters. An application is given with regards to an aNPP consisting of four reactor units of NuScale SMR design. A comparison is made to a cNPP, i.e., a typical large reactor of equivalent generation capacity. Both plants are fictitiously located on the Garigliano nuclear site (southern Italy). The results show that resilient features of SMRs overcome cNPPs in terms of post-accident scenario mitigation and restoration capabilities.File | Dimensione | Formato | |
---|---|---|---|
ExecutiveSummary_LorenzoBani.docx
accessibile in internet solo dagli utenti autorizzati
Descrizione: Tesi_doc
Dimensione
593.94 kB
Formato
Microsoft Word XML
|
593.94 kB | Microsoft Word XML | Visualizza/Apri |
ExecutiveSummary_LorenzoBani.pdf
accessibile in internet solo dagli utenti autorizzati
Descrizione: Tesi_pdf
Dimensione
866.16 kB
Formato
Adobe PDF
|
866.16 kB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
Thesis_LorenzoBani.docx
accessibile in internet solo dagli utenti autorizzati
Descrizione: Tesi_doc
Dimensione
1.69 MB
Formato
Microsoft Word XML
|
1.69 MB | Microsoft Word XML | Visualizza/Apri |
Thesis_LorenzoBani.pdf
accessibile in internet solo dagli utenti autorizzati
Descrizione: Tesi_pdf
Dimensione
2.1 MB
Formato
Adobe PDF
|
2.1 MB | Adobe PDF | Visualizza/Apri |
I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
https://hdl.handle.net/10589/198579