Climatic conditions inside nuclear reactor containments : Evaluation of moisture condition in the concrete within reactor containments and interaction with the ambient compartments

Abstract

Safety is the top priority at a nuclear facility. The nuclear power plants are designed to prevent radioactive leakage to the surroundings, both during normal operation as well as in case of a severe accident. One of the most important structures in a nuclear power plant, with regard to safety, is thus the reactor containment wall. The containment wall is the last main barrier to prevent radioactive leakage, and it is designed to limit and control internal hazards if all other barriers fail. In order to understand and identify the potential deviation of the barrier, the effects of changes in the materials and how these changes occur and propagate have to be understood.
The work presented in this thesis concerns the moisture condition within nuclear reactor containment inner walls in addition to other concrete structures within the containments. The study aims to describe earlier, ongoing and future moisture contributions, and redistribution of moisture within and from the concrete structures within the containments.
An in situ measurement setup for long term monitoring of relative humidity and temperature in concrete was designed and installed in four reactor containments. The setup was used to monitor the actual conditions within the containments and in the concrete structures, and how they change over time. The measurements showed that all containments within the study complied with the regulated conditions with regard to temperature. The stable humidity in the air within the containments indicated that the dehumidification apparatus at the sites worked as anticipated, and that the measured conditions can be considered as "as-designed conditions", even though there is no regulation regarding permissible humidity. The results from the monitoring campaigns were further used to validate a model which was designed to describe the ongoing drying and moisture redistribution in the concrete structures.
The measurements and simulations done in this study show that the concrete structures within the reactor containment are still drying after approximately 30 years of operation, and will continue to dry and contribute with moisture to the ambient compartment for the remaining part of the service life for the reactors. The simulations presents that 35–45 % of the initial evaporable water had dried out, until this study, and that the amount for 60 years of operation is 45–55 %. The main drying has already occurred, and the moisture contribution to the ambient compartments will continue to decrease, thus contributing less moisture to the air in the containment in the future.

Abstract (Swedish)

Inom kärnkraftsindustrin är säkerhet den aspekt som prioriteras högst. Alla kärnkraftverk är designade för att i högsta möjliga mån förhindra läckage av radioaktivetet till omgivningen, både under drift och i händelse av en allvarlig olycka. Med anledning av detta är reaktorinneslutningens vägg en av de viktigaste säkerhetsrelaterade konstruktionerna vid en anläggning, detta då denna konstruktionsdel är den sista barriären för att förhindra ett läckage av radioaktiva partiklar. Reaktorinneslutningens vägg är designad för att begränsa och kontrollera effekten av inre olyckor om övriga barriärer fallerat. För att förstå och identifiera potentiella förändringar, samt effekter från åldring, av barriären behövs en ökad förståelse för hur ingående material ändras över tid.
Arbetet som presenteras i den här avhandlingen berör främst fuktförhållanden i reaktorinneslutningarnas väggar och till viss del övriga betongkomponenter lokaliserade i inneslutningarna. Studiens mål var att beskriva den tidigare, pågående, och framtida omfördelningen av fukt, både i betongkonstruktionerna samt fuktbidraget från betongen. En mätuppställning för in situ långtidsmätning av relativ fuktighet och temperatur i betong designades och installerades för monitorering i fyra olika reaktorinneslutningar. Utrustningen användes för att mäta de aktuella förhållandena samt för att studera variationer över tid. Mätningarna gjordes både i inneslutningarnas betongkonstruktioner samt i omgivande luft. De utförda mätningarna visade att de temperaturer som uppmättes svarade mot de krav som ställts på konstruktionen. Vidare indikerade den stabila relativa fuktigheten i inneslutningarnas luft att anläggningarnas avfuktning fungerade väl och att det bör kunna antas att rådande nivåer överensstämmer med de avsedda fuktnivåerna. Resultaten erhållna från monitoreringen användes vidare för att validera en modell framarbetad för att beskriva den pågående uttorkningen och omfördelningen av fukt i inneslutningarnas betongkonstruktioner.
De samlade resultaten från simuleringarna och mätningarna i studien visar att uttorkning av reaktorinneslutningarnas betong fortfarande pågår efter runt 30 år i drift. Betongen kommer även i fortsättningen att bidra med fukt till inneslutningens utrymmen, enligt simuleringarna ända fram till dess att verken tas ur drift. Den sammanlagda uttorkningen fram till de utförda mätningarna motsvarar i storleksordningen 35–45 % av betongens initiala förångningsbara vatten. Motsvarande värde vid 60 års drift förutspås vara 45–55 %, huvuddelen av betongkonstruktionernas uttorkning har således redan inträffat och fukttillskottet till inneslutningens luft kommer att avta med tiden.

• author: OXFALL, Mikael
• supervisor: Lars Wadsö; Peter Johansson; Manouchehr Hassanzadeh
• organization: Division of Building Materials
• publishing date: 2016-05-10
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Engineering and Technology
• keywords: kärnkraft, betong, in situ mätningar, relativ fuktighet, kokvattenreaktorer, tryckvattenreaktorer, masstransport
• ISBN: 978-91-7623-820-2
• ISBN: 978-91-7623-821-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: 2016-06-03 10:15 Stora Hörsalen, IKDC, Sölvegatan 26, Lund University, Faculty of Engineering, LTH. Opponent: Targo Kalamees, Tallin University of Technology, Estonia.
• id: 341f8de5-281e-4f53-81c3-08124981aa9f
• date added to LUP: 2016-05-10 12:23:36
• date last changed: 2018-11-21 21:23:35