Structural integrity of prestressed nuclear reactor containments

Abstract

A nuclear power plant is provided with an extensive defense intended to prevent radioactive discharge in case of a reactor accident. This defense is built up of several independent safety barriers, where the reactor containment constitutes the last barrier to the environment. The fundamental safety function of the containment is to withstand the internal pressure expected in the event of an accident. All Swedish containments are designed as shell structures, with an outer bearing prestressed concrete and an inner sealing of a tight-welded steel liner.



The overall objective of this thesis is to increase the knowledge of the structural integrity for prestressed reactor containments. Two important structural components are highlighted; the prestressing system and the steel liner. The prestressing system is essential to keep the concrete structure in a linear elastic state up to the internal pressure load expected at an accident (design pressure). The steel liner is crucial for the leak tightness of the containment if the pressure load exceeds the design pressure, in case of a very severe accident.



A Swedish containment is heavily prestressed with hundreds of tendons. The prestress will gradually be reduced due to the long-term behavior of concrete (shrinkage and creep) and due to relaxation of the tendons. The study concerning the prestressing system is mainly based on tendon force measurements made at Swedish plants. This study includes three parts. In the first part, techniques of measuring tendon force are investigated and one conclusion is that the friction between tendon and concrete structure could give misleading results. In the second part, results from 30 years of measured prestress in Swedish containments are presented. The main conclusions from these results are that the general loss of prestress is lower than predicted and that increased temperature during operation clearly influences the loss of prestress. Do the measured tendon forces meet the requirements? The third part intends to answer this question by using a reliability-based method.



The steel liner is connected to the concrete structure by embedded studs or steel profiles. Different failure mechanisms for the liner are investigated in this thesis. It has been concluded from containment scale tests that concentration of strain occurs in the liner when the structure expands at high internal pressure loads. Strain concentration in the liner is in this thesis assumed to be caused by; concrete through-wall cracking and discontinuities like penetrations. From a study concerning through-wall cracking it is concluded that the level of plastic strain could be highly increased by the friction between liner and concrete, especially for thin liners. The effect of discontinuities is exemplified by a study of a penetration region in a containment scale test. From the analysis in this study it is shown that out-going folds in the liner tends to be straightened out when the containment expands and this behavior highly increases the strain in vicinity of the fold. The general conclusion from the study of the liner is that the non-linear plastic behavior of the liner is very sensitive to the detailed design and the interaction between liner and concrete.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ett kärnkraftverk är utrustat med ett omfattande försvar avsett att förhindra radioaktivt utsläpp vid en eventuell reaktorolycka. Detta försvar är uppbyggt av ett antal skyddsbarriärer, där reaktorinneslutningen utgör den sista barriären mot omgivningen. Inneslutningens primära uppgift är att motstå det inre övertryck som kan förväntas vid en reaktorolycka. Alla svenska inneslutningar är uppbyggda av ett yttre bärande skal av förspänd betong med en inre försegling av tätsvetsade stålplåtar (tätplåt).



Det övergripande syftet med denna avhandling är att öka förståelsen gällande förspända reaktorinneslutningars strukturella integritet. I avhandlingen belyses två väsentliga komponenter i konstruktionen, förspänningssystemet och tätplåten. Förspänningssystemet är mycket viktigt för att bibehålla en osprucken och linjärelastisk funktion upp till den förväntade olyckstrycket (konstruktionstrycket). Tätplåten är avgörande för att hålla konstruktionen tät även om konstruktionstrycket skulle överstigas, vid en mycket allvarlig olycka.



Svenska inneslutningar är kraftigt förspända med ett hundratal spännkablar vardera. Spännkraftsnivån sjunker med tiden pga långtidsdeformation i betongen (krympning och krypning) och relaxation i spännkablarna. Studien gällande förspänningssystemet är mestadels baserat på de mätningar av spännkabelkraft som är gjorda vid svenska kärnkraftverk. Denna studie inkluderar tre delar. Den första delen behandlar metoder för att mäta spännkabelkraft och en slutsats från denna del är att friktionen mellan spännkablar och betongkonstruktion kan ge missvisande mätresultat. I den andra delen presenteras resultaten från mätning av spännkraft gjorda vid svenska kärnkraftverk under 30 års tid. De viktigaste slutsatserna från dessa resultat är att spännkraftsförlusterna generellt sett är mindre än förväntat samt att förhöjd temperatur under drift tydligt påverkar spännkraftsförlusterna. Är kraven på spännkraft uppfyllda? Den tredje delen av studien avser att svara på denna fråga med en tillförlitlighetsbaserad metod.



Tätplåten är förankrad i betongkonstruktionen med ingjutna dubbar eller stålprofiler. I denna avhandling studeras olika brottmekanismer för tätplåten. I tidigare utförda försök på skalmodeller av inneslutningar har man kunnat konstatera att det uppstår töjningskoncentrationer i tätplåten när konstruktionen expanderar under höga inre tryck. De viktigaste orsakerna till töjningskoncentrationer antas i denna avhandling vara, genomgående sprickor i betongkonstruktionen samt diskontinuiteter i form av genomföringar. I en undersökning kring effekten av genomgående betongsprickor konstateras att friktionen mellan tätplåt och betong ger koncentration av plastiska töjningar, speciellt för tunna tätplåtar. Effekten av diskontinuiteter visas genom en analys av området kring en genomföring i ett utfört skalförsök. Denna analys visar att utåtgående veck i tätplåten tenderar att rätas ut när inneslutningen expanderar och detta ger höga töjningsnivåer i tätplåten. Generellt konstateras att tätplåtens icke-linjära funktion är starkt beroende av den detaljerade utformningen och av interaktionen mellan tätplåt och betongkonstruktion.

• author: Anderson, Patrick
• supervisor: Sven Thelandersson
• opponent: Professor Täljsten, Björn, Technical University of Denmark, Denmark.
• organization: Division of Structural Engineering
• publishing date: 2007
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Building Technologies
• keywords: steel liner, reliability, relaxation, shrinkage, creep, loss of prestress, tendon, Nuclear, containment, design pressure, Construction technology, Anläggningsteknik
• pages: 150 pages
• defense location: Room V:B, V-building, John Ericssons väg 1, Lund University Faculty of Engineering.
• defense date: 2007-10-19 10:15:00
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f99ad793-16fb-41ea-962c-595e9de8f4d1 (old id 598997)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:54:20
• date last changed: 2018-11-21 20:45:08