An innovative multiphysics modelling approach for the analysis and the development of the generation IV molten salt fast reactor

Molten Salt Reactors (MSRs) are one of the six next-generation nuclear reactor concepts identified for further research and development in the frame of the Generation IV International Forum. The most distinguishing characteristic of MSRs is the presence of a molten salt mixture acting simultaneously as fuel and as coolant. This feature may lead to significant improvements in the reactor safety and sustainability and to a strong plant simplification. At the same time, the liquid fuel raises important challenges in the analysis, development and operation of MSRs, requiring the development of new simulation tools tailored to the peculiarities of these innovative systems. In this context, the purpose of this thesis is to improve the multiphysics modelling of MSRs, addressing specific issues that cannot be investigated neither with computational tools developed for solid-fuelled reactors nor with state-of-the-art models developed for molten salt systems. The Molten Salt Fast Reactor (MSFR), developed in the frame of the EVOL (Brovchenko et al., 2013), H2020 SAMOFAR (http://samofar.eu/) and SAMOSAFER (https://samosafer.eu/) Projects, is adopted as the reference system for the developments and analyses carried out in this work. In the first part of the thesis, a new multiphysics model for the MSFR is developed and implemented into an OpenFOAM solver. This solver features a two-phase, compressible thermal-hydraulics model, able to handle the presence of gas bubbles inside the reactor and to take into account the fuel mixture compressibility. The fluid-dynamics model is coupled with a multi-group neutron diffusion model, a multi-group SP3 neutron transport model and with transport equations for the delayed neutron and decay heat precursors, which are dragged by the liquid fuel (unlike in traditional solid-fuelled reactors, in which they are fixed). The second part of the thesis is devoted to the analysis of the MSFR helium bubbling system (i.e., the injection of helium bubbles into the fuel mixture), envisaged for a more efficient removal of gaseous fission products and as a possible option for reactivity control, exploiting the negative reactivity feedback of the bubbles. The impact of the helium bubbles on the system reactivity is investigated, accounting for the non-uniform bubble distribution inside the reactor and highlighting the differences with single-phase, state-of-the-art approaches that can only model the void fraction as a uniform density effect. Finally, the third part of the thesis investigates the impact of the fuel mixture compressibility on the system dynamics. Indeed, compressibility is expected to introduce delays in the thermal expansion reactivity feedbacks, especially in fast, super-prompt-critical transients, in which the characteristic times of neutronics and of pressure/density wave propagation are comparable. Moreover, the fuel compressibility is modified - both locally and globally - by the presence of bubbles in the reactor. Consequently, the analysis cannot leave the modelling of the helium bubbling system out of consideration, due to the complex interplay between compressibility and the bubbly flow. The present work constitutes a substantial step forward, as compared to state-of-the-art models developed for MSRs, allowing to describe phenomena that cannot be investigated with standard approaches. In the light of this, the results of the thesis can represent an important starting point to assess the safety and the feasibility of the MSFR in a more accurate way, as well as to optimize its main design features, such as the reactivity control systems, the fuel composition and the operating temperatures.

I reattori a sali fusi (Molten Salt Reactors, MSR) sono uno dei sei prototipi di reattore nucleare di futura generazione identificati per essere oggetto di ulteriore ricerca e sviluppo, nell’ambito del Generation IV International Forum. La caratteristica distintiva degli MSR è la presenza di una miscela di sali fusi che agisce simultaneamente come combustibile e come refrigerante. Questa caratteristica potrebbe portare a significativi miglioramenti nella sicurezza e nella sostenibilità del reattore e ad una forte semplificazione d’impianto. Allo stesso tempo, il combustibile liquido comporta importanti sfide nell’analisi, nello sviluppo e nell’esercizio degli MSR, richiedendo lo sviluppo di nuovi strumenti di simulazione, adeguati alle peculiarità di questi innovativi sistemi. In questo contesto, lo scopo di questa tesi è quello di migliorare la modellizzazione multifisica degli MSR, rispondendo a problematiche specifiche che non possono essere investigate né con gli strumenti sviluppati per i reattori a combustibile solido, né con i modelli allo stato dell’arte sviluppati per sistemi a sali fusi. Il reattore veloce a sali fusi (Molten Salt Fast Reactor, MSFR), sviluppato nel contesto dei Progetti EVOL (Brovchenko et al., 2013), SAMOFAR (http://samofar.eu/) e SAMOSAFER (https://samosafer.eu/) è adottato come sistema di riferimento per gli sviluppi e per le analisi svolte in questo lavoro di tesi. Nella prima parte della tesi, un nuovo modello multifisico per l’MSFR è sviluppato e implementato in un solver OpenFOAM. Questo solver è caratterizzato da un modello termoidraulico bifase e comprimibile, capace di gestire la presenza di bolle di gas nel reattore e di considerare la comprimibilità della miscela di combustibile. Il modello fluidodinamico è accoppiato con un modello di diffusione neutronica multi-gruppo, un modello di trasporto neutronico SP3 multi-gruppo e con equazioni di trasporto per i precursori dei neutroni ritardati e del calore di decadimento, che sono trascinati dal combustibile liquido (a differenza dei reattori a combustibile solido, in cui sono fissi). La seconda parte della tesi è dedicata all’analisi del sistema di iniezione di bolle di elio, previsto nell’MSFR per una più efficiente rimozione dei prodotti di fissione gassosi e come una possibile opzione per il controllo di reattività, sfruttando la retroazione negativa esercitata dalle bolle. L’impatto delle bolle di elio sulla reattività del sistema è studiato, tenendo in considerazione la distribuzione non-uniforme delle bolle nel reattore e mettendo in luce le differenze con gli approcci allo stato dell’arte, caratterizzati da modelli termoidraulici monofase, che possono descrivere la frazione di vuoto solamente come un effetto uniforme di densità. Infine, nella terza parte della tesi è investigato l’impatto della comprimibilità della miscela di combustibile sulla dinamica del sistema. Ci si aspetta infatti che la comprimibilità introduca ritardi nelle retroazioni di espansione termica, specialmente nei transitori rapidi e super-pronto-critici, in cui i tempi caratteristici della neutronica e della propagazione delle onde di pressione/densità sono comparabili. Inoltre, la comprimibilità del combustibile è modificata, sia localmente che globalmente, dalla presenza delle bolle nel reattore. Di conseguenza, tale analisi non può prescindere da quella del sistema di iniezione di bolle, a causa della complessa interazione tra comprimibilità e flusso bifase. Questo lavoro costituisce un sostanziale passo in avanti, rispetto allo stato dell’arte, permettendo di descrivere fenomeni che non possono essere colti con modelli standard sviluppati per gli MSR. Alla luce di ciò, i risultati di questa tesi possono rappresentare un importante punto di partenza per valutare con maggiore accuratezza la sicurezza e la fattibilità dell’MSFR e per ottimizzare i suoi principali parametri di progetto, come i sistemi di controllo della reattività, la composizione del combustibile e le temperature di esercizio.