Derivation and implementation of a point kinetics model for molten salt reactors in GeN-foam

In recent decades, interest in molten salt reactor (MSR) has increased thanks to its entry among the six types of fourth generation (Gen IV) nuclear reactors. Consequently, several models have been developed in order to investigate the physical phenomena present in this type of reactor. The MSR is a circulating fuel reactor (CFR) and the physics due to the re-circulation of the fuel within the system must be considered since it affects, for example, the transport of precursors. In this thesis, a point kinetics model for fluid fuel nuclear systems is developed and presented. In this approach, the precursors are not treated as point quantities but as spatial distributions in the system. In addition to the analytical derivation, the model is implemented in GeN-Foam, an OpenFOAM multiphysics solver for the analysis of nuclear reactor. Initially, starting from the multi-group diffusion equations and the diffusion and transport equations of the precursors, the analytical derivation is discussed with particular attention to the underlying hypotheses as well as the implementation in the OpenFOAM environment. As verification, the model is tested in a simplified geometry (a mono dimensional channel) and the results compared to an analytical approach. A critical comparison between the new point kinetics model and the multi-group diffusion solver is performed on a two-dimensional geometry representing the molten salt fast reactor (MSFR) to highlight the advantages and disadvantages of the model compared to a standard approach. Two different transients are considered, i.e., an insertion of external reactivity and an exponential reduction of the fuel mass flow rate. As a major outcome, the improved point kinetics models proves to obtain excellent results in reproducing the dynamics of the transients, especially for the distribution of precursors. Finally, a comparison between a one-dimensional and two-dimensional case is carried out considering two different transients. This comparison shows the importance of the spatial description of the precursors, with respect to a point-like approach, and its influence on the evolution of the system. The results of this investigation are very satisfactory, especially the comparison of the developed model and the diffusion approach, showing the developed solver is able to optimally predict both the dynamics and the final conditions in fluid fuel nuclear systems.

Negli ultimi decenni, l’interesse per il reattore a sali fusi (MSR) è aumentato grazie al suo ingresso tra i sei tipi di reattori nucleari di quarta generazione (Gen IV). Di conseguenza, sono stati sviluppati diversi modelli per studiare i fenomeni fisici presenti in questo tipo di reattore. Il MSR è un reattore a combustibile circolante (CFR) e la fisica dovuta al ricircolo del combustibile all’interno del sistema deve essere considerata poiché influenza, ad esempio, il trasporto dei precursori. In questa tesi viene sviluppato e presentato un modello di cinetica puntiforme per sistemi nucleari a combustibile fluido. In questo approccio, i precursori non sono trattati come quantità puntiformi ma come distribuzioni spaziali nel sistema. Oltre alla derivazione analitica, il modello è implementato in GeN-Foam, un solutore multifisico OpenFOAM per l’analisi di reattori nucleari. Inizialmente, partendo dalle equazioni di diffusione multi-gruppo e dalle equazioni di diffusione e trasporto dei precursori, si discute la derivazione analitica con particolare attenzione alle ipotesi sottostanti e all’implementazione nell’ambiente OpenFOAM. Come verifica, il modello viene testato in una geometria semplificata (un canale mono dimension- ale) e i risultati confrontati con un approccio analitico. Un confronto critico tra il nuovo modello di cinetica puntiforme e il risolutore della diffusione multi-gruppo viene eseguito su una geometria bidimensionale che rappresenta il reattore veloce a sali fusi (MSFR) per evidenziare i vantaggi e gli svantaggi del modello rispetto a un approccio standard. Si con- siderano due diversi transitori, ovvero un inserimento di reattività esterna e una riduzione esponenziale della portata massica del combustibile. Come risultato principale, i modelli di cinetica puntiforme migliorati dimostrano di ottenere ottimi risultati nella riproduzione della dinamica dei transitori, in particolare per la distribuzione dei precursori. Infine, viene effettuato un confronto tra un caso uni-dimensionale e uno bi-dimensionale considerando due diversi transitori. Questo confronto mostra l’importanza della descrizione spaziale dei precursori, rispetto ad un approccio puntiforme, e la sua influenza sull’evoluzione del sistema. I risultati di questa indagine sono molto soddisfacenti, in particolare il confronto tra il modello sviluppato e l’approccio di diffusione, mostrando che il solutore sviluppato è in grado di prevedere in modo ottimale sia la dinamica che le condizioni finali nei sistemi nucleari a combustibile fluido.