Rock Mechanics Design of An Underground Candu Nuclear Power Plant

SUMMARY: This paper outlines the four modes of rock mass instability which have to be considered in designing large excavated caverns for housing the reactors and auxiliary equipment of a 4 X 850 MWe underground CANDU nuclear power plant. The first mode consists of the potential instability of joint blocks in the roof and the walls of the caverns, which is triggered sometimes by the blasting effect. The second mode of instability is caused by an overstressing of the rock mass due to the combination of in-situ and excavation stresses. In the extremely remote event of a loss-of-coolant accident and a sudden release of pressurized steam into the cavern, the third mode of instability, which is thermomechanical in character, would have to be considered. The likelihood and extent of thermomechanical instability can be assessed in an analysis of the transient temperatures and thermal stresses - generated in surficial layers of the host rock. Earthquake and near-field rockburst effects contribute to the fourth mode of rock mass instability underground, which is dynamic in character. It is concluded that the four instability modes can be properly accounted for in engineering design, posing no major hazards to the safety of an underground nuclear plant. ZUSAMMENFASSUNG: Es wird ein Überblick gegeben auf die vier Arten des Felseninstabilität, die bei der Planung grosser Kavernen zur Unterbringung der Reaktoren und Hilfsanlagen eines 4 x 850 MWe unterirdischen Candu-Kernkraftwerkes, zu betrachten sind. Erstens die potentielle Instabilität der Kluftkörper in der Krone und in den Wänden der Kaverne, die manchmal unter dem Einfluss der Sprengarbeiten hervorgeruf≈n wird. Die zweite Art der Instabilität ist auf eine Überbeanspruchung der Felsenmasse zurückzuführen, die einer Kombination der in-situ und der durch Sprengungen verursachten Beanspruchungen zuzuschreiben ist. Im dem höchstunwahrscheinlichen Fall eines gefährlichen KühlmitteIverlustes end einer plötzlichen Freisetzung von Druckdampf in die Kaverne, käme die dritte Art der Instabilität, die von thermomechanischer Natur ist, in Frage. Die Wahrscheinlichkeit und Grösse der Thermomechanischen Instabilität lassen sich durch eine Analyse der in der Oberflächenschichten des Ursprungsgesteins erstehenden Übergangstemperaturen und Wärmespannungen,bewerten. Die Wirkungen von Erdbeben und möglich naheliegenden Gebirgsschlägen bilden auf die vierte Art der unterirdischen Felseninstabilität, die von dynamischer Natur ist. Zum Schluss wird die Folgerung gezogen, dass die vier Arten der Instabilität in der technischen Planung sachgemäss berücksichtigt werden können, und keine grossen Risiken für die Sicherheit eines unterirdischen Kernkraftwerkes darstellen. RESUME: Cette communication donne les grandes lignes des quatre modes d’instabilité de la masse rocheuse, dont il faut tenir compte dans la conception de grandes cavernes abritant les réacteurs et l’appareillage auxiliaire d’une centrale nucléaire Souterreine Candu de 4 x 850 MWe. Le premier mode comprend l’instabilité potentielle des ensemble de diaclases dans la voûte et les parois des cavernes, qui est parfois amorcée par les travaux aux explosifs. Cest le surchargement de la masse rocheuse, causé par une combinaison des tensions in-situ et de celles dues au creusement, qui est responsable du deuxième mode d’instabilité. Dans le cas extrêmement peu probable d’un incident dangereux de perte de réfri gérant et d’une libération subite de vapeur pressurisée dans la caverne, c’est la troisième mode d’instabilité, de nature thermomécanique, qui serait impliqué. La probabilité et l’ampleur de l’instabilité thermomécanique peuvent être évaluées au moyen d’une analyse des températures transitoires et des tensions thermiques générées dans les couches superficielles du rocher hôte. Le quatrième mode d’instabilité de la masse rocheuse souterraine, qui est de nature dynamique, est causé par les effects des tremblements de terre ou d’éventuels éboulis de roches à proximité. En conclusion, on constate que l’on peut bien tenir compte des quatre modes d’instabilité dans le calcul technique, évitant ainsi des risques importants pour la sécurité d’une centrale nucléaire souterraine.