Multiphysics modelling approach for the analysis of xenon removal via helium bubbling in the molten salt fast reactor

Molten Salt Reactors (MSRs) are a family of nuclear systems under development in the framework of the Generation IV International Forum, featuring a mixture of molten salts with the role of both fuel and coolant. Given the characteristics of circulating-fuel reactors, new simulation tools need to be developed and tested. In this thesis, a multiphysics solver developed in OpenFOAM is provided with new functionalities useful for the analysis of the Molten Salt Fast Reactor (MSFR), a MSR system developed in the frame of the European projects EVOL, SAMOFAR and SAMOSAFER. The main objective is the modelling of Gaseous Fission Products (GFPs) inside the reactor and their interactions with a helium bubbling system aimed at removing both GFP and fission product in metallic form through flotation. In this way, the multiphysics tool can be employed to study the extraction capabilities of the bubbling system. Starting from an Euler-Euler two-phase solver able to model separately the liquid fuel salt and injected helium phases, a multi-component mixture approach is implemented to model the evolution of GFP species within each phase, considering production, decay, consumption, intra-phase transport, inter-phase mass transfer and extraction mechanisms. An analytical verification of the implemented models - in particular the one for mass transfer - is also performed along with a critical comparison of the modelling assumptions driven by the the experimental studies conducted in the field of MSRs at the Oak Ridge National Laboratory (ORNL). The developed model is then employed to study the efficiency of GFP removal by means of the bubbling system in both 2D and 3D MSFR test cases. As main figure of merit, an halving time describing the efficiency of the gas bubbles on the treatment of gaseous fission products is derived and obtained for different helium flow injection conditions. This work constitutes a further development in the multiphysics analysis of the MSFR concept, with the introduction and testing of new modelling capabilities. The correct prediction of the behavior of gaseous fission products, and their interactions with the helium bubbling system represent a key aspect in the definition of the radioactive source term and in the analysis of the fuel cycle of this innovative nuclear system.

I reattori a sali fusi (MSR) sono una famiglia di sistemi nucleari sotto sviluppo nell’ambito del Generation IV International Forum (GIF-IV), caratterizzati da una miscela di sali fusi che ha il ruolo sia di combustibile che di termovettore. Date le caratteristiche dei reattori con combustibile circolante, nuovi strumenti di simulazione devono essere appositamente sviluppati e testati. In questa tesi, un modello multifisico sviluppato in OpenFOAM viene dotato di nuove funzionalità utili per l’analisi del Molten Salt Fast Reactor (MSFR), un sistema MSR sviluppato nell’ambito dei progetti europei EVOL, SAMOFAR e SAMOSAFER. Il principale obiettivo è la modellazione dei prodotti di fissione gassosi (GFP) all’interno del reattore e le loro interazioni con un sistema di iniezione di bolle di elio, che ha lo scopo di rimuovere sia essi che i prodotti metallici tramite galleggiamento. In questo modo, lo strumento multifisico può essere impiegato per fornire informazioni utili sulla capacità di estrazione del sistema di iniezione di bolle. A partire da un solutore bifase Euler-Euler capace di modellare separatamente le fasi di sale combustibile liquido e elio gassoso iniettato, viene implementato un approccio di miscela multi-componente per simulare l’evoluazione delle specie di GFP in ogni fase, considerando i meccanismi di produzione, decadimento, consumo, trasporto intra-fase, scambio di massa inter-fase e estrazione. Una verifica analitica dei modelli implementati - in particolare quello per lo scambio di massa - è condotta, insieme ad un confronto critico delle assunzioni modellistiche guidato dagli studi sperimentali condotti nel campo dei reattori a sali fusi presso l’Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Il modello sviluppato è quindi utilizzato per studiare l’efficienza della rimozioen dei GFP da parte del sistema di iniezione di bolle, in casi test 2D e 3D del MSFR. Come principale quantità d’interesse, viene derivato un tempo di dimezzamento che descrive l’efficienza delle bolle sul trattamento dei GFP, calcolandolo per differenti condizioni di flusso di elio. Questo lavoro costituisce un nuovo sviluppo nell’analisi multifisica del concetto del MSFR, con l’introduzione e la prova di nuove capacità di modellazione. La previsione corretta del comportamento dei prodotti di fissione gassosi e delle loro interazioni con il sistema di iniezione di bolle rappresentano aspetti chiave nella definizione del termine di sorgente radioattiva e nell’analisi del ciclo di combustibile di questo sistema nucleare innovativo.