Development of a LES approach for the stability analysis of natural circulation loops in presence of distributed heating

Natural circulation is used in nuclear systems to remove power from the nuclear fuel, mainly in the passive safety systems that are activated to ensure the cooling of the fuel in accidental scenarios. The Molten Salt Fast Reactor, one of the Generation IV reactors, is characterized by a distributed internal heat source due to the presence of fissile material in the molten salt mixture that acts both as fuel and coolant. An experimental facility named DYNASTY (Dynamics of NAtural circulation for molten SalT internallY heated – a natural circulation loop) has been setup in the Energy Labs of Politecnico di Milano to increase the knowledge of natural circulation phenomena and provide experimental validation to the different modelling approaches. These include stability maps, 1D models, and computational fluid dynamics (CFD) simulations with Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence models. In order to overcome the limitations of RANS modelling, this work focuses on the development and the assessment of a Large Eddy Simulation (LES) approach for the stability and dynamic analysis of natural circulation in presence of distributed heating. Firstly, a comprehensive study has been carried out on a simplified pipe geometry in order to retrieve important information about the parameter setting of the Wall Adapting Linear Eddy-viscosity (WALE) subgrid-scale model for its application in natural circulation loops. A sensitivity analysis has been performed on the mesh refinement comparing the LES result with a direct numerical simulation benchmark. Then, a comparison with experimental measurements from the conventional L2 natural circulation loop setup at the Università di Genova has been made. This phase allowed assessing the LES capabilities in reproducing the typical dynamic behaviours of buoyancy driven flows, and it also provided insights on the dynamic stability and local phenomena occurring in L2. Finally, the LES approach has been adopted in the DYNASTY facility to study the natural circulation with distributed heating in stable and unstable conditions. Thanks to the capability of resolving the large scale parts of the turbulent motion, the LES approach developed in this work has unveiled previously unknown effects of local and three-dimensional patterns on the system’s stability, as well as the impact of the boundary conditions on the simulation outcome. In addition, new information was gathered on some flow dynamics during instabilities, such as stratification and counter-current flows occurring during flow reversal. Thanks to the conjugated heat transfer (CHT) method adopted to include the behaviour of the facility’s piping, the interaction between dynamic stability and the operating conditions of the structural components has been observed. Overall, this analysis has been successful in reproducing the low Reynolds and specific features of natural circulation systems, suggesting the suitability of LES for the prediction of the stable and unstable regimes in these systems.

La circolazione naturale è usata nei sistemi nucleari per rimuovere calore dal combustibile, ed è adottata principalmente nei sistemi di sicurezza passivi per assicurare il raffreddamento del combustibile in situazioni incidentali. Il Reattore Veloce a Sali Fusi, uno dei reattori di Generazione IV, è caratterizzato da una sorgente di calore interna distribuita per la presenza di materiale fissile nella miscela di sali fusi che funge sia da combustibile che da fluido termovettore. Un apparato sperimentale, chiamato DYNASTY (Dynamics of NAtural circulation for molten SalT internallY heated – un loop a circolazione naturale) è stato sviluppato negli Energy Labs del Politecnico di Milano, con l’obiettivo di incrementare le conoscenze sul fenomeno e fornire uno strumento di validazione sperimentale per i vari approcci modellistici, tra cui mappe di stabilità, modelli 1D e simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) con modelli di turbolenza per le equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds (RANS). Per superare i limiti dei modelli RANS, questo lavoro si focalizza sullo sviluppo e la valutazione di un approccio di simulazione a grandi vortici (LES) per l’analisi di stabilità della circolazione naturale in presenza di riscaldamento distribuito. Per prima cosa, è stato condotto uno studio globale su una geometria cilindrica semplificata per rinvenire informazioni importanti sulla scelta dei parametri del modello di sottogriglia Wall Adapting Linear Eddy-viscosity (WALE) per poterle utilizzare nei loop a circolazione naturale. È stata effettuata un’analisi di sensitività sul raffinamento della mesh, confrontando la LES con una simulazione numerica diretta (DNS). Inoltre, è stato effettuato un confronto con una campagna sperimentale sul circuito a circolazione naturale L2 sviluppato all’Università di Genova. Questa parte del lavoro è utilizzata per validare le capacità della LES nel riprodurre i tipici comportamenti dinamici dei flussi mossi dal galleggiamento, e allo stesso tempo ha fornito intuizioni sulla stabilità dinamica e i fenomeni locali che avvengono in L2. Per ultimo, l’approccio LES è stato adottato su DYNASTY per studiare la circolazione naturale con riscaldamento distribuito in condizioni stabili e instabili. Grazie alla capacità di risolvere le scale più grandi delle fluttuazioni del moto, l’approccio LES sviluppato in questo lavoro è stato in grado di svelare fenomeni locali e tridimensionali non noti in precedenza, la rilevanza delle condizioni al contorno sul risultato delle simulazioni, e ha fornito nuove informazioni sulle circostanze che si palesano durante le instabilità dinamiche, come la stratificazione di flussi opposti che avviene durante l’inversione del moto. In più, grazie al metodo dello scambio termico coniugato (CHT) utilizzato per includere il comportamento della tubazione della struttura, è stata osservata l’interazione tra la stabilità dinamica e le condizioni operative dei componenti strutturali. In generale, questa analisi ha mostrato una buona prestazione dei modelli LES nel riprodurre le caratteristiche dei flussi turbolenti a basso Reynolds, suggerendo la loro adeguatezza nel simulare i sistemi a circolazione naturale.