Preliminary design, modelling and simulation of intermediate loop and energy conversion system for the molten salt fast reactor

This thesis work is aimed at performing a preliminary but quantitative analysis of the design of the intermediate loop and of the energy conversion cycle for the Molten Salt Fast Reactor (MSFR). This reactor is one of the advanced reactor concepts identified within the framework of the Generation IV International Forum and its reference design is currently under development within the H2020 SAMOFAR (Safety Assessment of the Molten Salt Fast Reactor) project. In the first part of the thesis, a preliminary design of the intermediate heat exchangers is performed, based on a simplified 0D approach. The results, supported by CFD analysis, highlight the effects of the severe size constraints imposed by the reference design on reactor operation, i.e. the large pressure drops and the risk of blockage due to the small size of the flow channels. In the second part, three different energy conversion cycles – the supercritical steam cycle, the helium closed gas cycle, the helium/steam combined cycle – are examined. Simplified cycle designs are proposed, which confirm an efficiency improvement with respect to Light Water Reactors (LWRs). The supercritical steam cycle shows the best performance, with achievable efficiencies in line with state-of-the-art steam power plants. The helium cycle suffers the relatively low temperatures, showing worse efficiencies, whereas the combined cycle is expected to have intermediate performance. The results also point out the critical issue of molten salt solidification within the secondary heat exchangers, due to the low temperatures at the working fluid inlet. In the third and last part, an approach for the modelling of the intermediate loop and, in the future, of an entire plant simulator, is proposed. Based on the object-oriented paradigm, provided by the Modelica® language and the Dymola® simulation environment, it ensures high modularity and flexibility. Models of the fluid properties, the heat exchangers and the intermediate loop are implemented and tested by means of steady-state and transient simulations. This extensive study will provide the designers with quantitative feedbacks on safety and economics features of the MSFR.

Questo lavoro di tesi si pone come obiettivo un’analisi preliminare ma quantitativa del design del circuito intermedio e del ciclo di conversione dell’energia per il Molten Salt Fast Reactor (MSFR). Il MSFR è uno dei reattori innovativi selezionati dal Generation IV International Forum ed il suo design di riferimento è attualmente in fase di studio nell’ambito del progetto H2020 SAMOFAR (Safety Assessment of the Molten Salt Fast Reactor). La prima parte del lavoro consiste in un design preliminare degli scambiatori di calore intermedi, basato su un approccio semplificato 0D. I risultati, supportati da analisi CFD, evidenziano le conseguenze dei vincoli di progetto sul design, ovvero le alte perdite di carico e il rischio di blocco dei canali di passaggio dovuto alle ridotte dimensioni. Nella seconda parte vengono esaminati tre diversi cicli di conversione dell’energia – il ciclo a vapore supercritico, il ciclo chiuso ad elio, il ciclo combinato elio/vapore. Vengono proposti dei design semplificati dei cicli, che confermano un miglioramento di efficienza rispetto ai Light Water Reactors (LWRs). Le migliori prestazioni sono garantite dal ciclo supercritico a vapore, con efficienze stimate in linea con gli impianti a vapore più all’avanguardia. Il ciclo ad elio è penalizzato dalle temperature relativamente basse e rivela le efficienze peggiori, mentre il ciclo combinato mostra prestazioni intermedie. I risultati mettono anche in evidenza il problema della solidificazione del sale fuso negli scambiatori di calore secondari, dovuto alle basse temperature di ingresso del fluido di lavoro. Nella terza ed ultima parte viene proposto un approccio modellistico per il circuito intermedio e, in futuro, per un simulatore di impianto, basato sul linguaggio orientato agli oggetti Modelica® e sull’ambiente di simulazione Dymola®, che garantiscono grande modularità e flessibilità. I modelli dei fluidi, degli scambiatori di calore e del circuito intermedio vengono implementati e successivamente testati in regime stazionario e transitorio. Questa analisi dettagliata fornirà ai progettisti feedback di natura quantitativa su aspetti economici e relativi alla sicurezza del MSFR.