A multiphysics approach to small nuclear rocket engine

Nuclear space propulsion is currently under consideration for the employment in space exploration (e.g., mission to Mars) even if the idea to use nuclear reactors to thrust a spacecraft comes from the 60’s. Before starting the experimental campaign, useful information can be retrieved from modelling and simulation framework. This thesis work aims at developing a multiphysics analysis of the Small Nuclear Rocket Engine (SNRE). SNRE is a fission reactor integrated with a nozzle, chosen from NASA as the design to be developed and studied to create a nuclear space thruster. The reactor is composed by hexagonal fuel elements and hexagonal structural elements. The cooling and the working fluid are ensured by hydrogen gas, heated up to 2800 K. Firstly, a Monte Carlo model of the reactor core - developed with SERPENT code - have been built in order to perform a neutronics analysis of the SNRE. A particular attention is devoted to the control drums calibration and the burnup analysis that are fundamental in the thrust phase for control purposes. In addition to that, a sensitivity analysis is performed in order to highlight the impact of the hydrogen propellant temperature and density on the reactivity. The second part of the work is devoted to the thermo-fluid dynamics model of a representative section of the fuel assembly with a Computational Fluid Dynamics (CFD) approach. The analysis have been performed with the OpenFOAM toolbox relying on Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence models and on a Conjugate Heat Transfer (CHT) modelling to consider the heat exchange between the fuel element and the gas propellant. Considering the strong variation of the conditions of the gas propellant (ranging from 300 K at the channel inlet to the 2800 K at the outlet channel), both an incompressible and compressible model have been developed and compared for the thermal hydraulics analysis. The simulations underline the differences between the simplifying incompressible assumption and the more realistic compressible treatment calling for the need of using the latter approach for this kind of analysis. The results lead to a better comprehension of density effects on neutrons and thermal behaviour inside the core. The results of this thesis could be used as starting point for next studies on coupling and on a complete model of SNRE.

Nonostante l'idea di utilizzare la propulsione nucleare per l'esplorazione dello spazio venga dagli anni '60, a tutt'oggi si riscontra un rinnovato interesse per questo tipo di applicazione, soprattutto per le future missioni (e.g., verso Marte). Prima di cominciare una campagna sperimentale è possibile ricavare dati e informazioni utili sviluppando un modello numerico con le relative simulazioni. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di un modello multifisico del Small Nuclear Rocket Engine (SNRE). Lo SNRE è costituito da un reattore a fissione con un ugello integrato. Questo design è stato scelto dalla NASA come progetto da studiare e sviluppare per creare un propulsore spaziale nucleare. Il reattore è composto da elementi di combustible e strutturali esagonali. Il fluido di lavoro e di raffredamento è idrogeno gassoso che può raggiungere i 2800 K. Per prima cosa è stato sviluppato un modello Monte Carlo, utilizzando il codice Serpent, per svolgere un'analisi neutronica del reattore. Particolare attenzione è stata dedicata alla calibrazione delle barre di controllo e all'analisi di bruciamento, fondamentali nelle fasi di spinta da un punto di vista controllistico. Inoltre è stata effettutata un'analisi di sensitività in modo da evidenziare gli effetti di temperatura e densità dell'idrogeno sulla reattività. La seconda parte della tesi si occupa di sviluppare un modello termoidraulico di una sezione rappresentativa del nocciolo con un approccio di dinamica fluido computazionale (CFD). L'analisi è stata effettuata con OpenFoam, utilizzando le equazioni Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) come approccio alla turboenza e il Coniugate Heat trasfer Model (CHT) per studiare lo scambio termico tra le componenti solide e il propellente gassoso. Considerando le notevoli variazioni delle condizioni del propellente gassoso (variazione che va da 300 K dell'inlet dei canali a 2800 K dell'outlet) per l'analisi termoidrauilica è stato sviluppato sia un modello incomprimibile che uno comprimibile. Le simulazioni mettono in luce le differenze tra modello semplificato incomprimibile e il più realistico comprimibile, rivelando come il secondo approccio sia necessario. I risultati ottenuti portano ad una migliore comprensione degli effetti della densità sui neutroni e sul comportamento termico all'interno del reattore e potranno essere usati come punto di partenza dei prossimi studi di coupling e modellazione completa del reattore SNRE.