Analysis of modified passive safety system in fast reactor

This Internship was performed at the Department of Nuclear Engineering at the University of California Berkeley. My project was to analyze a modified nuclear passive safety system, called ARC system, into Sodium-cooled Fast Reactors(SFR). The first months of this project were based on the coupling of two nuclear codes. I used an external coupling paradigm. I wrote a Python script that exchanges data by performing input/output on files specific to each code. Ones the coupling was finished, I simulate different accidents for two SFRs and I evaluate the achievement of the complete passive safety.

Il progetto di tesi si è svolto presso il dipartimento di ingegneria nucleare all'università di Berkeley, in California. Il lavoro, durato da Aprile a Settembre 2019, si è focalizzato sullo studio di un sistema di sicurezza passivo soggetto ad alcuni modificazioni. Questo sistema, chiamato Autonomous Reactivity Control (ARC), è stato ideato per reattori a neutroni veloci. Questi particolari reattori sono caratterizzati da un coefficiente di vuoto positivo. Il sistema ARC è stato proposto come un ulteriore feedback negativo, che possa compensare le controreazioni postive durante i vari transitori accidentali. In sintesi, il sistema ARC inserisce e estrae un veleno neutronico nel nucleo in risposta alle variazioni di temperatura del nucleo. Questo sistema è stato analizzato in precedenti lavori che hanno mostrato i benefici forniti da questo sistema analizzando le risposte a vari transitori accidentali. Questi studi, hanno anche evidenziato il verificarsi di un fenomeno oscillatorio dovuta alla presenza del sistema ARC. La ragione di questo comportamento è il forte legame tra l'ARC e le fluttuazioni della temperatura. Il sistema ARC è progettato per essere fortemente accoppiato ad un aumento della temperatura del nucleo al fine di fornire reattività negativa durante i transitori. Una volta che il nucleo diminuisce la sua temperatura, grazie al forte accoppiamento, il veleno neutronico viene disinserito, e questo fornisce una reattività postitiva e dunque un aumento delle temperature del nucleo. In certe condizioni, questo processo si ripete, portando ad un comportamento oscillatorio che conduce all'ebollizione del refrigerante. Pertanto, si desidera rimuovere tali oscillazioni utilizzando un metodo per distinguere l'inserzione e l'estrazione del veleno neutronico. Per raggiungere questo obiettivo, è stata proposta l'introduzione di una valvola unidirezionale nel sistema. Questo tipo di valvola consente un normale flusso in una direzione, ma lo ostacola nella direzione opposta, comportandosi come un diodo idraulico. Pertanto, l'inserimento del veleno neutronico è ancora veloce, ma il ritiro è ostacolato. Nel corso di questo progetto sono state testate le prestazioni del sistema ARC modificato, simulando diversi incidenti per due reattori di riferimento. In questo lavoro si sono usati due codici; per valutare la risposta dinamica dei reattori è stato utilizzato il codice SAS4A/SASSYS-1, mentre per la fluidodinamica all'interno del sistema ARC è stato adottato il codice SAM. Una parte importante di questo progetto è stata il coupling dei due codici. Dopo aver varato varie possibilità, si è scelto di adottare un coupling esterno realizzato medianto un script di Phyton. Questo script ha coordinato lo scambio di dati eseguendo ingresso/uscita nei file specifici per ogni codice. Pertanto, lo script Python è stato utilizzato per lo scambio di dati tra SAS e SAM per ogni passo temporale. Per essere certi della convergenza dei due codici, delle iterazione Picard sono state implementate nello script di Phyton. Successivamente si è simulato diversi incidenti per due reattori a sodio veloce per verificare il raggiungimento della completa sicurezza passiva. Dai risultati ottenuti si è potuto constatare che le modifiche del sistema fanno si che per fluttuazioni di temperatura del refrigerante, il veleno neutronico rimane costante allo stesso livello impedendo le conseguenti oscillazioni di reattività fornita dall'ARC. Questa modifiche riducono il comportamento di oscillazione e impediscono l'ebollizione generate da queste oscillazioni.