Porous media approach in CFD thermohydraulic simulation of nuclear generation-IV lead-cooled fast reactor ALFRED

From several years ago, different studies have pointed out the benefits of exploiting renewable energies together with nuclear, concluding that a good long-term strategy for reducing CO2 emissions could be considering a mix of nuclear and renewable energies. Precisely due to the interest on its low carbon emissions, nuclear energy production has been continuously developing since its begins in the early 50s, advancing towards safer and more efficient designs. Now, the so called Generation-IV of nuclear reactors is being developed in an attempt of accomplishing goals covering four broad areas: sustainability, economics, safety and reliability, and proliferation resistance and physical protection. According to those goals, several design concepts were evaluated and six nuclear technologies were finally selected, including the Lead-cooled Fast Reactor (LFR) concept. Inside the European framework, the ALFRED reactor has been proposed as demonstrator of this technology. This thesis work focuses on the CFD simulation of this ALFRED nuclear core, both during normal operating conditions and during possible flow blockage, i.e., when possible obstructions occur. For this purpose, as a complete scope geometry simulation for the whole core would be very computing demanding, a porous media approach using the open source software OpenFOAM is proposed. The core mesh is specifically designed to generate the different core assemblies and divide each of them into the different axial regions. Then, a porosity coefficient is assigned to each of those regions according to the pressure drop expected, which values are calculated by correlations and previous assessments performed by the core designers. An explicit treatment of porosity is chosen in order to easily implement it when using any solver. Additionally, power generation inside the core is simulated by volumetric heat sources. As a result for this thesis work, three main cases are included: an adiabatic steady-state, a steady-state with heat source calculated from the fission power, and a case with obstructions. An extensive analysis on these results is performed and some concluding remarks are reached. Among them, it can be highlighted the promising results obtained when simulating the pressure drops inside the core, specially during normal operation steady-state simulations. On the other hand, some inconsistencies are found in the velocity field with respect to the expected results, specially in transient simulations for obstruction cases, which derives in inaccurate temperature profiles. This issue seems to indicate the inability of explicit porous media approach to correctly induce velocity fields by setting only pressure drops in the domain. In that line, some possible solutions and further lines of research are also recommended.

Da diversi anni, molti studi hanno evidenziato i vantaggi dell'utilizzo delle energie rinnovabili in sinergia all'energia nucleare, proponendo una strategia a lungo termine per ridurre le emissioni di CO2 che coinvolga un mix di fonte nucleare e rinnovabile. Proprio per l'interesse per le sue basse emissioni di carbonio, la produzione di energia nucleare è stata in continuo sviluppo sin dal suo inizio nei primi anni '50, avanzando verso progetti sempre più sicuri ed efficienti. Attualmente, la cosiddetta Generazione IV di reattori nucleari è in fase di sviluppo nel tentativo di soddisfare obiettivi che coprono quattro grandi aree: sostenibilità, economicità, sicurezza e affidabilità, resistenza alla proliferazione e protezione fisica. In base a questi obiettivi, sono stati valutati diversi concetti, selezionando infine sei tecnologie nucleari, incluso il reattore veloce raffreddato a piombo (LFR). Nell'ambito dei finanziamenti europei, il reattore ALFRED è stato proposto come dimostratore di questa tecnologia. Questo lavoro di tesi mira alla simulazione CFD del reattore ALFRED, sia in condizioni operative normali sia durante possibili ostruzioni di un elemento di combustibile. A tal fine, poiché una simulazione geometrica dettagliata per l'intero core richiederebbe un calcolo molto impegnativo, in questa tesi viene proposto un approccio di mezzo poroso, utilizzando il software open source OpenFOAM. La griglia di calcolo è specificamente progettata per generare i diversi elementi del reattore, dividendo ciascuno di essi nelle varie regioni assiali. Un coefficiente di porosità viene quindi assegnato a ciascuna di queste regioni in base alla perdita di carico prevista, i cui valori sono calcolati dalle correlazioni e da precedenti valutazioni effettuate dai progettisti del nocciolo. Un trattamento esplicito della porosità viene adottato per la facilità di implementazione in qualsiasi risolutore. Inoltre, la generazione di potenza all'interno del nocciolo è simulata da sorgenti di calore volumetriche. Come risultato di questo lavoro di tesi, tre casi principali sono simulati e analizzati: uno stato stazionario adiabatico, uno stato stazionario con generazione di potenza e un caso con ostruzione di un elemento di combustibile. I risultati vengono criticamente analizzati e alcune osservazioni conclusive vengono tratte. Tra queste, si possono evidenziare i promettenti risultati ottenuti simulando le perdite di carico all'interno del nocciolo, in particolare durante le simulazioni stazionarie del funzionamento operazionale. D'altra parte, si riscontrano alcune incongruenze nel campo di velocità rispetto ai risultati attesi, specialmente nelle simulazioni transitorie per casi di ostruzione, che derivano da profili di temperatura imprecisi. Questo problema sembra indicare l'incapacità dell'approccio esplicito di mezzo poroso di calcolare correttamente i campi di velocità impostando solo le perdite di carico nel dominio. Su questo aspetto, alcune possibili soluzioni e ulteriori linee di ricerca vengono delineate e raccomandate.