Modelling and Analysis of Inert Gas Bubbles in Molten Salt Fast Reactor

Molten Salt Reactors (MSRs) have gained worldwide interest in recent years due their appealing characteristics with respect to safety and resource utilisation. These reactor have a unique characteristic i.e. the presence of nuclear fuel in form of liquid salt containing the fissile and fertile material, and the fuel salt also acts as the coolant. This dual role of nuclear fuel results in a complex, highly coupled system thus posing a challenge in modelling and simulation of MSRs. The aim of this thesis was development of a multi-physics simulation model for the Molten Salt Fast Reactor (MSFR) to predict the behaviour of inert gas bubbles present in the core and to quantify their impact on the reactivity of the nuclear reactor. Inert gas bubbles in MSFR have been modelled using a multi-physics approach coupling computational fluid dynamic for fluid flow and heat-transfer with neutron diffusion equation for neutronics and transport equation for delayed neutron precursors. The two-phase flow is modelled using the Euler-Euler two-fluid model and the results have been compared with those obtained in previous studies. Simulations reveal that the bubble distribution in core has a significant impact on reactivity resulting a difference in the bubbling feedback coefficient compared to studies using a homogeneous distribution.

I reattori a sali fusi (in inglese Molten Salt Reactor - MSR) hanno ricevuto un sempre maggior interesse negli ultimi anni a causa delle loro interessanti caratteristiche in termini di sicurezza e utilizzo delle risorse di combustibile. Questi reattori mostrano una caratteristica unica, cioè la presenza di combustibile nucleare sotto forma di sale fuso (contenente il materiale fissile e fertile) che agisce anche da fluido termovettore. Questo duplice ruolo di combustibile nucleare e refrigerante si traduce in un sistema complesso e altamente accoppiato che pone quindi una sfida nella modellazione e simulazione di tali reattori. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di un modello di simulazione multifisica per il reattore veloce a sali fusi (in inglese Molten Salt Fast Reactor - MSFR) per prevedere il comportamento delle bolle di gas presenti nel circuito primario e per quantificare il loro impatto sulla reattività del reattore nucleare. Le bolle di gas nel reattore sono state modellate usando un approccio multifisico che accoppia la fluidodinamica computazionale per il sale combustibile, lo scambio termico, l'equazione di diffusione per la neutronica e l'equazione di trasporto per i precursori di neutroni ritardati. Il flusso bifase viene modellato utilizzando il modello a due fluidi Euler-Euler e i risultati sono stati confrontati con quanto ottenuto in studi precedenti. Le simulazioni evidenziano che la distribuzione di bolle nel core ha un impatto significativo sulla reattività, mostrando una marcata differenza nel coefficiente di controreazione dovuto alla bolle rispetto ad una situazione con una distribuzione omoogenea.