Modelling and experimental investigation of natural circulation in presence of distributed heating

Natural circulation is a phenomenon exploited in nuclear systems to remove power from nuclear fuel, often as a safety system to ensure the cooling of the fuel in accidental scenarios. One of the Generation IV reactors, the Molten Salt Fast Reactor, is characterized by the presence of a volumetrically distributed heat source inside the working fluid due to the presence of nuclear fuel mixed directly with the heat transfer fluid. The presence of a heat source distributed through the fluid volume in a system working in natural circulation is an instance that has been faced only in recent years. Due to the novelty of the problem, no natural circulation loop capable of working with a distributed heat source is available to perform experiments for the assessment of models developed to study this phenomenon. An experimental facility named DYNASTY (DYnamics of NAtural circulation for molten SalT internallY heated) has been setup in the Energy Labs of Politecnico di Milano, in the context of this work of thesis, to be able to produce experimental data. The design of the facility has been started in previous years; in the context of this work the design has been finalized, the facility has been built and some preliminary experimental cases have been run to test the correct operativity of the facility. In addition, a secondary facility, eDYNASTY, has been finalized and built, to study coupled natural circulation systems. In this work, the models previously developed to study natural circulation have been analysed to identify the limitations due to the modelling hypotheses. In particular, the great influence of the treatment of laminar-turbulent transition on the model’s previsions has been pointed out, both from a sensitivity analysis performed on stability maps and from the comparison of the results of different modelling strategies (namely the use of correlations or the use of turbulence models). In addition to this work about modelling, in this thesis is also presented all the technical work performed to bring the DYNASTY facility to operation (creation of electronic systems for facility control and for experimental data acquisition) and the preliminary experimental tests to check the correct functionality of the facility. During the testing some design-related issues have been identified and have been promptly corrected. Mainly, the found-out issues that out were related to the thermocouple slots and to the air canalization for the cooler. During the testing, repeated behaviours of DYNASTY were found, depending on the heating power distribution. In addition, in previous work it was assumed that the final state reached by the facility after a transient was independent from the starting conditions but depended only on the working conditions. Experimentally, evidence was found out confirming this assumption.

La circolazione naturale è un fenomeno sfruttato nei sistemi naturali per asportare la potenza dal combustibile nucleare, spesso come parte di sistemi di sicurezza per il raffreddamento del combustibile durante gli incidenti. Uno dei reattori nucleari di IV Gnerazione, il Molten Salt Fast Reactor, è caratterizzato da una sorgente di potenza distribuita volumetricamente per la presenza di combustibile nucleare miscelato direttamente col fluido termovettore. Solo in anni recenti si è cominciato ad affrontare il problema di circolazione naturale in presenza di una sorgente di potenza volumetrica distribuita in tutto il volume di fluido. A causa dell’originalità del problema, non esistono sistemi in circolazione naturale capaci di riprodurre le caratteristiche di potenza distribuita, utili all’ottenimento di dati sperimentali per la validazione dei modelli sviluppati per studiare questo tipo di fenomeni. Un impianto sperimentale chiamato DYNASTY (DYnamics of NAtural circulation for molten SalT internallY heated) è stato realizzato nei laboratori di Energia del Politecnico di Milano durante il lavoro presentato in questa tesi, per produrre tali dati sperimentali. La progettazione dell’impianto, iniziata negli anni passati, è stata conclusa in questo lavoro, inoltre l’impianto è stato costruito e alcuni casi sperimentali preliminari sono stati eseguiti per verificare il corretto funzionamento dell’impianto. Infine, un secondo circuito a circolazione naturale (eDYNASTY) è stato realizzato per studiare la circolazione naturale in sistemi accoppiati. Modelli precedentemente sviluppati per lo studio della circolazione naturale sono stati studiati ed ottimizzati in questo lavoro di tesi per rimuovere ipotesi modellistiche limitanti. In particolare, si è evidenziata la grande influenza della modellazione della transizione tra regime laminare e turbolento sulle previsioni dei modelli; questo è stato riscontrato sia nell’analisi di sensitività ai parametri modellistici, sia nel confronto tra i risultati di modelli che trattano questo fenomeno in modo diverso. In aggiunta, in questa tesi è anche presentato tutto il lavoro legato al portare DYNASTY all’operatività (creazione del sistema elettronico di acquisizione dati e controllo) e gli esperimenti preliminari svolti. Contestualmente a questi esperimenti preliminari alcuni problemi legati al design sono stati identificati e corretti. Durante il testing sono stati identificati alcuni comportamenti caratteristici di DYNASTY, a seconda della distribuzione di potenza fornita. In aggiunta, è stata osservata una conferma della precedente assunzione fatta durante la modellazione che lo stato finale del sistema non dipendesse in modo significativo dallo stato iniziale del sistema, ma solo dalle condizioni al contorno.