A subchannel thermal-hydraulic analysis of the 250 kW TRIGA nuclear reactor

The main objective of this thesis work is to elaborate on the possible heat exchange regimes that can be created under different operating conditions for the General Atomics TRIGA Reactor Mark II. More precisely, different operating conditions, that can bring to different behaviors of heat exchange mechanisms for this type of reactor, will be investigated. Several correlations and hypothesis will be applied and compared to each other, based on their capability to reproduce experimental and CFD results. Following the introduction and validation of different correlations, the best one for the considered operating condition will be chosen, also according to its validity to predict all possible situations that can arise in the reactor. Particular attention is given to the ability of the chosen correlation to prevent and predict dangerous situations such as thermal crisis, in order to update the safety procedures. At first, a general description of the TRIGA reactor will be done, in order to present to the reader, the type of machine under consideration. All functions and technology choices will be presented to explain how this machine works, and why different heat exchange mechanism arise during its functioning. After that, different empirical and semi-empirical correlations, will be used to interpret the experimental data and also to predict particular situations and their characteristic values, such as the thermal crisis one. This can be a catastrophic situation that can seriously damage the reactor or, in the worst case, generate a critical situation regarding the health of neighboring people. After thatit will be exposed safety comments about how well this reactor works, and a comparison with Relap results, that is a software to license and simulate thermo-hydraulic nuclear systems.

Il principale obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nell’elaborare i possibili regimi di scambio termico che si possono verificare durante le diverse condizioni operative del reattore TRIGA MkII della General Atomics. Più precisamente, condizioni differenti portano a sostanziali diversità nei meccanismi di scambio termico che saranno investigati. Diverse correlazioni e ipotesi saranno applicate e comparate le une con le altre in base alla loro capacità di riprodurre dati sperimentali e calcoli CFD. Dopo una breve introduzione e validazione delle singole, sarà presa in considerazione la migliore che predica al meglio le diverse situazioni possibili. Una particolare attenzione sarà data alla scelta di correlazioni di in grado di predire e quindi prevenire possibili situazioni critiche come la crisi termica, per aggiornare le procedure di esercizio in termini di sicurezza. Inizialmente verrà fatta una descrizione generale del reattore TRIGA, al fine di presentare al lettore il tipo di macchina in esame. Verranno presentate tutte le funzioni e le scelte tecnologiche per spiegare come funziona questa macchina e perché sorgono diversi meccanismi di scambio termico durante il suo funzionamento. Successivamente, verranno utilizzate diverse correlazioni empiriche e semi-empiriche per interpretare i dati sperimentali e anche per prevedere situazioni particolari con i loro valori caratteristici, come quello della crisi termica. Questa può risultar essere una situazione catastrofica che può danneggiare gravemente il reattore o, nel peggiore dei casi, generare una situazione critica per quanto riguarda la salute delle persone limitrofe. Poi si procede con i commenti di sicurezza sul funzionamento di questo reattore. Verranno poi confrontati i dati ottenuti con questo approccio con Relap, software per la simulazione di comportamenti termoidraulici nei reattori nucleari.