Open-source modeling approaches for radioactive waste management in nuclear newcomer countries

Abstract

Maailm liigub fossiilkütustest üha kiiremini eemale ning tuumaenergia kogub eriti väikeste moodulreaktorite kujul kiiresti populaarsust. See on hea valik väikeriikidele, kelle elektrivõrk on suurte jaamade jaoks liiga väike. Kuid uued tulijad seisavad vastastikku tõsise väljakutsega: kuidas käidelda radioaktiivseid jäätmeid ohutult, kui puudub sellealane kogemus? Kuna radioaktiivsetest jäätmetest tuleneva ohu tõttu ei saa kasutada katse-eksituse meetodit, tuleb kiirguse levik enne arvutis detailselt läbi simuleerida. Kõige täpsemad programmid on aga julgeoleku- ja ekspordipiirangute tõttu kättesaadavad vaid kogenud tuumariikidele. Käesolev doktoritöö näitab, et lahendus on olemas tasuta kättesaadavate avatud lähtekoodiga programmide näol: tarkvarad EGSnrc ja OpenMC annavad jäätmekonteinerite kiirgusvarjestuse hindamisel sama täpseid tulemusi kui ekspordipiirangutega tarkvarad, olles seega sobivaks valikuks riikidele, kes alles ehitavad üles oma tuumaenergeetika-alast võimekust. Nende tööriistade abil näidati ka, et Eesti põlevkivitööstuses tekkiv põlevkivituhk sobib hästi jäätmekonteinerite betooni koostisosaks ning basalt-boorkiudude lisamine parandab märgatavalt kaitset neutronkiirguse eest. Lisaks materjalide kiirgusvarjestuse analüüsimisele arendati töö käigus välja uus tarkvara Wastimate, mis aitab planeerida jäätmekäitlust kogu tuumajaama elukaare jooksul. Wastimate'i abil näidati muuhulgas, et vanemate ja uuemate kütuseelementide nutikas koospakendamine võib lühendada jäätmekäitluse kogukestust kuni kümmekond aastat. Kokkuvõttes saab varajase etapi jäätmekäitlusuuringuid (materjalidest taristuni) teha avatud lähtekoodiga tööriistadega, olles sobilikud nii Eestile kui ka teistele tuumaenergiaga alustavatele riikidele. The world is rapidly moving away from fossil fuels and nuclear energy is gaining popularity, particularly in the form of small modular reactors. These are a good option for smaller countries whose electricity grids are too small for large power plants. However, nuclear newcomer countries face a serious challenge: how to safely manage radioactive waste without any prior experience? Since the hazardous nature of radioactive waste rules out a trial-and-error approach in waste management, radiation transport must be modeled in detail using computer simulations before any decisions are made. The most accurate programs are, however, only available to experienced nuclear states due to security and export restrictions. This doctoral thesis shows that a solution exists in the form of freely available open-source software: EGSnrc and OpenMC produce results of equal accuracy to export-restricted codes when evaluating the radiation shielding of waste containers, making these open-source codes a suitable choice for countries building up their nuclear capabilities. Using these tools, it was demonstrated that oil shale ash, an industrial byproduct generated in Estonia, is a suitable concrete additive for waste containers, and that adding basalt-boron fibers significantly improves protection against neutron radiation. Beyond material shielding analysis, a new software tool called Wastimate was developed during this work to help plan waste management across the entire lifecycle of a nuclear plant. Using Wastimate, it was shown that smart co-packaging of older and newer fuel assemblies can shorten the overall waste management timeline by up to a decade. In summary, early-stage waste management studies, from container materials to facility planning, are entirely achievable using open-source tools, benefiting both Estonia and other countries embarking on the path of nuclear energy.