Natural circulation modeling and experimental validation of the DYNASTY facility

The main focus of this thesis work is the modelling and experimental investigationof the natural circulation Loop DYNASTY (DYnamics of NAtural circulation formolten SalT internallY heated), that was designed and built in the Energy labsof Politecnico di Milano. DYNASTY is a facility built to investigate the naturalcirculation phenomena under Internal Heat Generation, whose study is of primaryimportance for the development process of the Gen-IV reactors, such as Molten SaltReactors. The modeling of DYNASTY has been carried out employing an analyticalapproach (stability maps) and with a mono-dimensional numerical approach usingthe MODELICA®language and the DYMOLA®environment. Compared with theliterature, this thesis -during this first modeling part- focuses on a sensitivity analysisof the different numerical integration algorithms and on their impact on the problemof modeling natural circulation. This, along with other tests highlighted the need fora new cooler model that accounts also for the fin and for the inclusion of the heatlosses between the facility and the environment. The last part of the work focusedon the definition and the execution of the first experimental matrix of DYNASTY,adopting water as working fluid. During the experiments particular attention hasbeen placed upon the cooling transient, that was not previously analyzed, who showedan oscillatory behaviour with the cooling fan turned on. Lastly, the experimentalresults where compared with the numerical model results, showing good predictingcapabilities of the latter one once the heat exchange model, both in the cooler andin the facility, was tuned. In particular, excellent match between the model andthe experimental results has been obtained for the heating transient while showingimproving margins for the cooling transients for which arose the necessity to improvethe modeling description.

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è la modellazione e l’analisi sperimentale del circuitoa circolazione naturale DYNASTY (DYnamics of NAtural circulation for molten SalTinternallY heated), progettato e realizzato nei laboratori di Energia del Politecnico diMilano. Lo scopo dell’impianto DYNASTY è quello d’investigare il fenomeno dellacircolazione naturale in presenza di generazione interna di calore. Quest’ultima è diprimaria importanza nella progettazione dei reattori di quarta generazione, come adesempio i reattori a sali fusi. La modellazione del circuito viene affrontata con unapproccio analitico (mappe di stabilità) e con un approccio mono-dimensionale (codicedi sistema) utilizzando il linguaggio MODELICA®e l’ambiente DYMOLA®. Rispettoalla letteratura, la tesi - in questa prima parte dedicata alla parte modellistica - siè focalizzata su un’analisi di sensitività dei vari algoritmi d’integrazione numerica esul loro impatto nel problema della modellazione della circolazione naturale. Questi,insieme ad altri test hanno riscontrato la necessità di implementazione di un nuovomodello del cooler che tenesse conto dell’alettatura e dello scambio termico tral’impianto e l’ambiente. L’ultima parte del lavoro si è concentrata sulla definizione el’esecuzione della prima matrice sperimentale della facility, utilizzante acqua comefluido di lavoro. Durante le prove sperimentali, particolare attenzione è stata postanel transitorio di raffreddamento, mai sperimentalmente investigato in precedenza eche ha mostrato un comportamento oscillatorio a ventilatore acceso. Infine, i risultatisperimentali sono stati confrontati con i risultati del modello numerico, rilevandouna buona capacità di predizione di quest’ultimo una volta effettuata una taraturadello scambio convettivo sia nel cooler che nel resto dell’impianto. In particolare, unottimo accordo tra modello e risultati sperimentali è stato ottenuto per il transitoriodi riscaldamento mentre evidenziando al contempo margini di miglioramento perquanto riguarda il transitorio di raffreddamento in cui si è evidenziata la necessità dimigliorare la descrizione modellistica.