Radiation protection plan for a PC1 class nuclear-powered icebreaker

Abstract

For PC1 class icebreakers, nuclear power offers the opportunity to achieve higher propulsion power with reduced space compared to conventional marine power generation methods. The aim of this thesis is to develop a first version of a radiation protection plan for a PC1 class icebreaker powered by three SEALER-55 lead-cooled fast reactors. The methods include a descriptive literature review on the use of nuclear power in the marine sector, calculations on the effects of radiation and the measures required for protection, and AutoCAD drawings illustrating an arrangement of a nuclear vessel. The initial version of the GA was reviewed and commented on from a radiation protection perspective. A possible reactor shielding configuration was sketched based on radiation calculations, and the required dimensions of the reactor rooms were estimated. The most penetrating types of ionizing radiation are gamma and neutron radiation. Both are produced inside a nuclear reactor, which is why reactors must be heavily shielded to reduce radiation doses to acceptable levels. The effective radiation dose rate, calculated for the SEALER-55 reactor, describes how quickly a person exposed to radiation accumulates radiation dose while accounting for radiation type and biological hazard. Dose limits are set by international and national regulatory bodies. The marine sector is heavily regulated, as is the land-based nuclear sector. However, regulations for marine nuclear applications are limited and often outdated. The few existing regulations, the IMO Code of Safety for Nuclear Merchant Ships, ABS the Requirements for Nuclear Power Systems for Marine and Offshore Applications, and the RINA Guide for Nuclear Installation on Board of Marine Units, were reviewed, and the most essential rules for this radiation protection plan were highlighted. Additional regulations related primarily to dose limits were also reviewed. Calculations were done for the gamma and neutron radiation fluxes and the resulting dose rates, along with attenuation caused by shielding materials. Calculations for the SEALER-55 reactor show that the reactor itself attenuates gamma radiation to acceptable levels, but neutron radiation requires additional shielding. As a result, approximately 250 cm of sequential shielding materials, primarily suited for neutron attenuation, is required. The materials recommended for the shielding configuration are water, concrete, lead, and steel. Polyethylene was considered due to its excellent neutron attenuation properties but was excluded because of its flammability. The estimated width of each square-shaped reactor room is 13.8 meters, including shielding and reserved space for auxiliary equipment and maintenance access. With these dimensions, the reactors should be placed along the ship’s centerline. The reactor compartment should also accommodate spaces for radioactive waste treatment and storage, radiation laboratories, decontamination facilities and reactor control rooms. A division of spaces into controlled and supervised areas was established: the reactor rooms and adjacent spaces on the port and starboard sides are classified as controlled areas, while the uppermost deck of the reactor compartment and the spaces adjacent spaces on both ends of the reactor compartment are considered supervised areas. Access to the reactor compartment should be carefully monitored. The results indicate that a new arrangement of the reactor compartment within the GA is required to comply with regulations and incorporate the necessary shielding estimates.

PC1-luokan jäänmurtajassa ydinvoiman käyttäminen perinteisten merenkulussa käytettävien energiantuotantotapojen sijaan tarjoaa mahdollisuuden saavuttaa suurempi propulsioteho pienemmillä tilavaatimuksilla. Tämän työn tavoitteena on kehittää säteilyturvallisuussuunnitelman ensimmäinen versio PC1-luokan jäänmurtajalle, joka saa tehonsa kolmesta SEALER-55-lyijyjäähdytteisestä nopeasta reaktorista. Metodeihin kuuluvat kuvaileva kirjallisuuskatsaus ydinenergian käytöstä ja sääntelystä merenkulussa, laskelmia säteilyn vaikutuksista ja siltä suojautumisesta, sekä AutoCAD-piirrustuksia ydinkäyttöisen aluksen järjestelystä. Ensimmäinen versio laivan yleisjärjestelystä tarkistettiin säteilyturvallisuuden näkökulmasta. Mahdollinen säteilysuojarakenne piirrettiin säteilylaskujen perusteella, ja tarvittavat reaktorihuoneen mitat arvioitiin. Läpitunkevimmat ionisoivan säteilyn lajit ovat gamma- ja neutronisäteily. Ydinreaktorissa tuotetaan molempia, minkä takia reaktorit on suojattava hyvin saavuttaakseen hyväksyttävät säteilyannokset. SEALER-55-reaktorille laskettu vaikuttava annosnopeus kuvailee, kuinka nopeasti säteilylle altistunut henkilö kerryttää säteilyannosta, ottaen samalla huomioon säteilyn lajin sekä biologisen vaarallisuuden. Kansainväliset ja valtiolliset säännöstöt asettavat säteilyn annosrajat. Merenkulun ala on tarkasti säänneltyä, samoin kuin ydinala maalla, mutta säännöt ydinvoimalle merenkulussa ovat harvassa ja usein vanhentuneita. Työssä tutustuttiin voimassa oleviin sääntöihin, kuten IMO:n Code of Safety for Nuclear Merchant Ships, ABS:n Requirements for Nuclear Power Systems for Marine and Offshore Applications ja RINA:n Guide for Nuclear Installation on Board of Marine Units, säteilyturvallisuuden kannalta tärkeimpiä sääntöjä korostettiin. Lisäksi työssä tutustuttiin muuhun olemassa olevaan sääntelyyn, kuten annosrajoja käsitteleviin sääntöihin. Työssä laskettiin gamma- ja neutronisäteilyvuot, ja niistä aiheutuvat annosnopeudet sekä suojamateriaalien tuoma vaimeneminen. SEALER-55-reaktorille tehdyt laskut osoittavat, että reaktori itsessään heikentää gammasäteilyn hyväksyttävälle tasolle, mutta neutronisäteily vaatii lisäsuojan. Tulosten perusteella vaadittava rakenne on noin 250 cm paksu, kerroksittainen kokonaisuus, joka muodostuu pääosin neutronivuota vaimentavista materiaaleista. Suositellut materiaalit ovat vesi, betoni, lyijy ja teräs. Polyetyleeniä harkittiin sen erinomaisen neutronienheikennyskyvyn ansiosta, mutta jätettiin pois suunnitelmasta sen paloherkkyyden takia. Neliön muotoisen reaktorihuoneen arvioitu leveys on 13,8 metriä, johon sisältyy säteilysuoja sekä tilavaraus apulaitteille ja huollon mahdollistamiselle. Tällä huoneen leveydellä reaktorit tulisi asettaa peräkkäin laivan keskiviivaa pitkin. Reaktoriosastoon tulisi kuulua tilat ydinjätteen käsittelylle ja varastoinnille, säteilylaboratorioille, dekontaminaatiotiloille ja reaktorivalvomoille. Tilat jaettiin valvonta- ja tarkkailualueiksi: reaktorihuoneet ja näiden paapuurin ja tyyrpuurin puolella olevat viereiset huoneet luokitellaan valvonta-alueiksi, kun taas reaktoriosaston ylin kansi sekä reaktoriosaston molempien päätyjen viereiset tilat luokitellaan tarkkailualueiksi. Pääsy reaktoriosastolle tulisi olla huolellisesti valvottua. Tulokset osoittavat, että yleisjärjestely täytyy päivittää reaktoriosaston osalta niin, että se vastaa sääntöjä ja ottaa huomioon tarvittavan säteilysuoja-arvion.