Numerical modelling and simulation of melting phenomena for freeze valves analysis in molten salt reactors

In recent years, Molten Salt Reactor have gained new momentum thanks to their - largely unexpressed - potential for innovation in the nuclear industry. Currently, the European project SAMOSAFER (2019-2023) is aimed at ensuring that MSRs can comply with all the expected safety essentials. In terms of passive safety, a strategy currently envisaged in MSRs in accidental scenarios is to drain by gravity the molten salt – which act both as fuel and coolant –, in an emergency draining tank, ensuring both the subcriticality of the system and a proper cooling. To activate the draining system, a freeze plug, made by the same salt used in the core, is expected to open when the temperature in the core reaches high values. The freeze valve is still a key concept in the MSR design, and special attention must be paid to its analysis, in view of the requirement for passive safety, especially focusing on melting and solidification phenomena related to the molten salt mixture. In the framework of the SAMOSAFER project, the present work aims at being a contribution to the macroscale modelling of melting and solidification phenomena relevant for the analysis of the freeze valve behavior. This thesis focuses on the identification of the numerical models that can be adopted to achieve the quantitative insights needed for the design of the freeze valve. More specifically, after a review of the literature on the numerical modelling of melting and solidification, the most appropriate models are selected on the basis of a compromise between accuracy and computational efficiency. A critical look at the models allows to achieve a synthetic and consistent formulation of the numerical models and their implementation in the open-source software OpenFOAM. The code is subsequently verified by means of analytical and numerical solutions already well-established in the literature. A good agreement between the results produced by the developed solver and the reference solutions are obtained. In the end, the code is applied to simple case studies related to the freeze valve system, without the intention of performing a complete analysis, but rather focusing on recognising whether the developed code is able to model physical phenomena that can occur in a freeze valve. The results of the simulations are encouraging, particularly for what concerns the physical modelling, for instance about the effects of convection and on the formation of a melted layer in proximity of the walls. This work could constitute a starting point for further development of the code, with the aim of achieving better quantitative predictions for the design of a freeze valve.

Il reattore a sali fusi - in inglese Molten Salt Reactor (MSR) - è un progetto di reattore nucleare avanzato che detiene il potenziale - in gran parte inespresso - per apportare vari benefici all’industria del nucleare civile. Attualmente, il progetto europeo SAMOSAFER (2019-2023) mira a garantire che gli MSR possano essere conformi a tutti gli elevati standard di sicurezza imposti. In termini di sicurezza passiva, una strategia attualmente prevista per gli MSR in caso di scenari accidentali è quella di drenare per gravità il sale fuso - che funge sia da combustibile che da refrigerante - in una vasca di drenaggio di emergenza, garantendo la sottocriticità del sistema e un suo corretto raffreddamento. Per attivare il sistema di drenaggio, quando la temperatura del reattore raggiunge valori elevati, è prevista l’apertura della cosiddetta freeze valve, costituita dallo stesso sale utilizzato nel nocciolo. La freeze valve è un concetto chiave nella progettazione degli MSR, e particolare attenzione deve essere posta alla sua analisi, specialmente riguardo ai requisiti di sicurezza passiva. Nell’ambito del progetto SAMOSAFER, il presente lavoro mira a contribuire alla modellazione dei fenomeni di fusione e solidificazione rilevanti per l’analisi del comportamento della freeze valve. In particolare, dopo una revisione della letteratura sulla modellazione numerica di fusione e solidificazione, sono stati selezionati i modelli più appropriati sulla base di un compromesso tra accuratezza ed efficienza computazionale. Uno sguardo critico ai modelli esistenti ha permesso di ottenerne una formulazione sintetica e coerente, seguita da un’implementazione nel software open-source OpenFOAM. Il codice è stato successivamente verificato mediante soluzioni analitiche e numeriche già consolidate in letteratura. È stato ottenuto un buon accordo tra i risultati prodotti dai risolutori e le soluzioni di riferimento. Infine, il codice è stato applicato a semplici casi studio relativi al sistema della freeze valve, senza l’intenzione di eseguirne un’analisi completa, ma, piuttosto, al fine di valutare se il codice sia in grado di modellare fenomeni fisici ad esso pertinenti. I risultati delle simulazioni sono incoraggianti, in particolare per quanto riguarda la modellazione fisica: ad esempio, il codice è stato in grado di riporodirre con successo gli effetti della convezione e della formazione di uno strato fuso in prossimità delle pareti della valvola durante i transitori di scioglimento. Questo lavoro costituisce un punto di partenza per un ulteriore sviluppo del codice, con l’obiettivo di ottenere migliori previsioni quantitative per la progettazione di una freeze valve.