Numerical Modeling of SMR–Soil Interaction in Canada's Sensitive Marine Clays

ABSTRACT: Small Modular Reactors (SMRs) are an innovative zero-emission technology capable of delivering reliable energy, supporting Canada’s goal of achieving net-zero emissions by 2050. Many SMR designs involve partial or complete underground embedding of reactors, offering significant safety advantages. However, this design introduces significant geotechnical challenges, particularly regarding the structural integrity of SMRs in challenging subsurface conditions. In Canada, SMRs may be sited in regions with problematic soils, including the sensitive marine clays of Eastern Canada, which are highly susceptible to instability under dynamic loading. Despite this, the geotechnical response of sensitive marine clays and their interaction with embedded SMR structures during seismic events remain poorly understood. This study investigates the geotechnical response and seismic behavior of an SMR partially embedded in sensitive marine clays through advanced numerical modeling. COMSOL Multiphysics finite element software is employed to assess the soil and structure behavior under seismic loading, accounting for horizontal input motions and the excavation process during construction. The cyclic behavior of the foundation soils is modeled using the SANICLAY-B constitutive model to capture the distinct properties of sensitive marine clays. The findings offer critical insights into the seismic performance of embedded SMRs in challenging geotechnical conditions, contributing to safer and more resilient SMR sitting and design practices.

RÉSUMÉ: Les petits réacteurs modulaires (PRM) sont une technologie novatrice sans émission, capable de fournir une énergie fiable et de soutenir l’objectif du Canada d’atteindre la carboneutralité d’ici 2050. De nombreux concepts de PRM prévoient un enfouissement partiel ou complet des réacteurs, offrant des avantages importants en matière de sûreté. Toutefois, cette conception pose des défis géotechniques considérables, notamment en ce qui concerne l’intégrité structurale des PRM dans des conditions souterraines complexes. Au Canada, les PRM pourraient être implantés dans des régions où les sols sont problématiques, y compris les argiles marines sensibles de l’Est canadien, particulièrement sujettes à l’instabilité sous chargement dynamique. Pourtant, la réponse géotechnique de ces argiles sensibles et leur interaction avec les structures de PRM enfouies lors de séismes demeurent peu comprises. Cette étude examine la réponse géotechnique et le comportement sismique d’un PRM partiellement enfoui dans des argiles marines sensibles à l’aide d’une modélisation numérique avancée. Le logiciel COMSOL Multiphysics, basé sur la méthode des éléments finis, est utilisé pour évaluer le comportement du sol et de la structure sous chargement sismique, en tenant compte des mouvements horizontaux appliqués et du processus d’excavation pendant la construction. Le comportement cyclique des sols de fondation est modélisé à l’aide du modèle constitutif SANICLAY-B afin de représenter les propriétés distinctes des argiles marines sensibles. Les résultats offrent des perspectives essentielles sur la performance sismique des PRM enfouis dans des conditions géotechniques complexes, contribuant à des pratiques d’implantation et de conception plus sûres et plus résilientes.