Integral PWR for a sea-based SMR : steam generator and passive safety system

This work analyzes some relevant thermal-hydraulic features of an integral PWR for a sea-based SMR. The reference design is a scaled version of the IRIS SMR, called IRIS4Flexblue and concieved by Politecnico di Milano. Flexblue® is a 160MWe, transportable and subsea-based nuclear power unit operating up to 100 meter depth several kilometers away from the shore. Its design is currently under development by the French company DCNS. The first part of this thesis investigates the performances of the helical coil steam generator of IRIS4Flexblue, using a 1-D model simulated with the code RELAP5, and aims at verifying if a 5m vessel is sufficient to contain it. Two configurations, with same geometry but different primary mass flow rate, has been analyzed, finding out that in both cases a tube bundle with a diameter below 5m seems to be capable to exchange the total thermal power. The case with lower mass flow rate allows a larger reduction of pressure drops in the primary loop, while the other case may open to the possibility to further reduce the steam generator diameter. The purpose of the second part of the thesis is to perform a preliminary analisys of the behaviour of passive safety systems during a station blackout event. Firstly, the study faces with the sizing of an external seawater heat exchanger connected to the secondary circuit. Then, the evolution of the flows in primary and secondary loops, during the first four hours after the scram, have been simulated with RELAP5. Results has revealed that, thanks to the estabilishment of the natural circulation, such a system seems to be adequate to transfer all the decay power to the seawater, avoiding diffuse boiling of the coolant in the core. The findings of this thesis confirm the good potentialities of IRIS4Flexblue and suggest further theoretical and experimental investigations.

Questo lavoro analizza alcuni rilevanti aspetti termoidraulici di un reattore PWR integrato per un SMR sommerso. Il design di riferimento è una versione ridotta dell'SMR IRIS, chiamato IRIS4Flexblue e ideato al Politecnico di Milano. Flexblue® è un reattore nucleare da 160MWe, trasportabile e adatto ad operare sul fondo marino a più di 100m di profondità e lontano kilometri dalla costa. Il progetto è attualmente in sviluppo dalla società francese DCNS. La prima parte della tesi studia le performance del generatore di vapore a tubi elicoidali di IRIS4Flexblue, usando un modello 1-dimensionale simulato con il codice RELAP5, e l'obiettivo è verificare se un vessel di 5m sia sufficiente a contenerlo. Sono state analizzate due configurazioni, con la stessa geometria ma diverso flusso di massa al primario, scoprendo che in entrambi i casi un fascio tubiero con un diametro inferiore a 5m è capace di scambiare tutta la potenza termica. Il caso con flusso massico minore permette una maggiore riduzione delle perdite di carico al primario, mentre l'altro caso fa intuire la possibilità di ulteriori riduzioni del diametro del generatore di vapore. Lo scopo della seconda parte della tesi è effettuare un'analisi preliminare del comportamento di un sistema di sicurezza passivo durante uno station blackout. Inizialmente, lo studio affronta il dimensionamento di uno scambiatore di calore esterno in mare connesso al circuito secondario. È stata quindi simulata con RELAP5 l'evoluzione del fluido nei circuiti primario e secondario, durante le prime quattro ore dallo scram. I risultati hanno evidenziato che, grazie all'instaurazione della circolazione naturale, il sistema sembra essere adeguato a trasferire tutta la potenza di decadimento all'acqua di mare, evitando una forte ebollizione del nocciolo. I risultati di questa tesi confermano le ottime potenzialità di IRIS4Flexblue e incoraggiano ulteriori studi analitici e sperimentali.