Design, modelling and simulation of a computer-based, control-oriented plant simulator for the ThorCon molten salt thermal reactor

This work aims at developing a control-oriented, computer-aided simulator, of ThorCon nuclear plant, a molten salt reactor. The simulator could be used during the finalization of the design phase and to help the designers to define an optimized reactor control strategy. ThorCon represents the commercial expression of one of the most promising nuclear concept: the molten salt technology. In the first part of the work, the framework of the project comes to life is presented. Consequently, the sustainable energy supply problem is briefly described, demonstrating how nuclear energy and in particular circulating fuel technology, can advantageously play a leading role in the future of the energy generation sector. After this brief introduction, the second part of the work moves to the presentation of the developed simulator, describing the chosen development environment, the adopted modelling language (DYMOLA and MODELICA respectively) and all the models (i.e. the core model or the heat exchanger models, just to name a few of them), specifically developed. Then, the attention is placed on the preliminary results obtained employing the developed simulator. It is highlighted the response of the system to specific design-based transient initiators, such as a reduction in the steam mass flow rate processed by the turbine units or a reduction in the fuel mass flow rate. Moreover, all the simulations have been carried out both in free dynamics and in controlled dynamics (imposing the control of the deaerator internal liquid volume). Finally, in addition to underline how the reactor response changes accordingly to different design decisions, the simulations confirm the reactor's expected ability to "follow" the load imposed by the grid and other physical peculiarities typical of the molten salt technology.

Questo lavoro si pone come obbiettivo lo sviluppo di un simulatore orientato al controllo, dell’impianto ThorCon. Si vuole dimostrare l’utilità di avere a disposizione un simile strumento durante la finalizzazione della fase di progettazione e aiutare i progettisti nel definire un’opportuna strategia di controllo. ThorCon rappresenta l’espressione commerciale di una delle più promettenti filiere nucleari: la tecnologia a sali fusi. Inizialmente viene presentato il contesto all’interno del quale il progetto prende vita ed è quindi descritto il problema dell’approvvigionamento energetico sostenibile e come l’energia nucleare possa ricoprire in futuro un ruolo di primo piano nel settore di produzione energetica. Dopo questa breve introduzione, la seconda parte del lavoro va a trattare dettagliatamente la costruzione del simulatore stesso, descrivendo l’ambiente di sviluppo scelto e il linguaggio modellistico impiegato (DYMOLA e MODELICA rispettivamente), con la descrizione dei modelli (es. modello di nocciolo e modelli degli scambiatori di calore), specificatamente sviluppati per raggiugere gli obbiettivi sopra esposti. In seguito, l’attenzione è posta sui risultati preliminari ottenuti impiegando il suddetto simulatore. Viene quindi evidenziata la risposta dell’impianto in seguito a specifici input di interesse progettuale, come ad esempio una riduzione della portata di vapore processata dai gruppi turbina, o una riduzione della portata di combustibile. Inoltre, tutte le simulazioni sono state effettuate sia in dinamica libera sia in dinamica controllata (imponendo il controllo del livello di liquido interno al degasatore). Infine, oltre a sottolineare come la risposta del reattore si modifichi in base a diverse decisioni progettuali, le simulazioni confermano l’attesa abilita del reattore di “seguire” il carico imposto dalla rete e altre peculiarità fisiche proprie della filiera a sali fusi.