Flow distribution optimisation of ASTRID power plant's sodium-gas heat exchanger

The ASTRID project has the purpose to design an advance fourth generation sodium cooled fast reactor. The main innovation with respect to the previous sodium cooled reactors consists in the substitution of the working fluid in the power block: an inert gas, instead of water, is adopted. The aim of this choice is to enhance the security of the power plant in case of failure. A sodium-gas heat exchanger (SGHE) has been already pre-design. Nevertheless, the current SGHE configuration presents the main issue of unacceptable thermal stresses in the channel bundle structure of the exchanger module, which derive from the high mass flow unbalance between the sodium channels. The main purpose of this work is to optimize from a fluid-dynamic point of view the SGHE module in order to achieve a better mass flow distribution to lower the thermal stresses under the security limit. The methodology adopted in the fluid-dynamic optimisation is the CFD, in particular Ansys Fluent is used for all the calculations. Firstly, the proposed CFD model is presented: geometry choices, mesh, boundary conditions, settings and turbulent models are detailed. Successively, this model is validated thanks to a PIV experimental campaign, previously carried out to study the SGHE. Once the validity of the model is proven, a complex parametric study is carried out in which, at the end, two fluid-dynamic optimal configuration are found. This two configurations minimize the mass flow unbalance between channels respectively for two different module arrangements. Finally, in order to verify if the optimisation procedure has lead to feasible configurations, two epsilon-NTU thermal calculations and FEM mechanical calculations are carried out. In fact, with the epsilon-NTU method, the total power exchanged is verified and the distributions of sodium temperature at the outlet of the channel bundle are computed. Moreover, with the FEM mechanical calculations, adopting the temperature distributions previously found, the thermo-mechanical stresses are evaluated and the compliance of the security limit verified.

Il progetto ASTRID ha lo scopo di realizzare un avanzato reattore a neutroni veloci di quarta generazione raffreddato a sodio. La principale innovazione, rispetto ai precedenti reattori raffreddati a sodio, consiste nella sostituzione del fluido di lavoro nel blocco di potenza: infatti, viene utilizzato un gas inerte, in sostituzione all’acqua. La motivazione di questa scelta è quella di migliorare la sicurezza dell’impianto in caso di guasto. Un progetto preliminare per uno scambiatore sodio-gas (SGHE) è già stato svolto. Nonostante ciò, l'attuale progetto dello scambiatore presenta la principale problematica di sforzi termo-meccanici inaccettabili nel fascio tubiero, i quali derivano da un alto sbilancio della portata del sodio tra i vari canali nel fascio. Lo scopo principale di questo lavoro è quello di ottimizzare da un punto di vista fluidodinamico il modulo dello scambiatore sodio-gas col fine di ottenere una migliore distribuzione di portata per diminuire gli sforzi termici al di sotto del limite di sicurezza. La metodologia adottata nell’ottimizzazione fluidodinamica è la CFD, in particolare Ansys Fluent è stato utilizzato per tutti i calcoli. In primo luogo,nella tesi, il modello CFD viene presentato: le scelte geometriche, la griglia, le condizioni al contorno, le impostazioni e i modelli di turbolenza sono dettagliati. Successivamente, questo modello è stato validato grazie a una campagna sperimentale PIV, svolta in precedenza per studiare lo scambiatore. Una volta che la validità del modello CFD è stata provata, un complesso studio parametrico è stato svolto, in cui, alla fine, due configurazione ottime dal punto di vista fluidodinamico sono state selezionate. Queste due configurazioni minimizzano lo sbilancio di portata tra i canali rispettivamente per due differenti disposizioni del modulo dello scambiatore. Alla fine, per verificare se l’ottimizzazione ha portato a delle configurazioni realizzabili, due calcoli termici con metodo epsilon-NTU e due calcoli meccanici agli elementi finiti sono stati svolti. Infatti, mediante un calcolo epsilon-NTU la potenza totale scambiata è stata verificata e le distribuzioni di temperatura del sodio all’uscita dei canali del fascio sono state calcolate. Inoltre, con dei calcoli meccanici agli elementi finiti, adottando le distribuzioni di temperatura precedentemente calcolate, gli sforzi termo-meccanici sono stati valutati e il rispetto delle norme di sicurezza verificato.