Multiphysics analysis and simulation of an in-core fission product removal system for the molten salt fast reactor

The Molten Salt Fast Reactor (MSFR) is a nuclear system proposed in the framework of Generation IV International Forum and under development in the H2020 SAMOSAFER Project. It features a molten salt mixture acting as both fuel and coolant, and operates in the fast spectrum. A foreseen feature of the MSFR is the adoption of a bubbling system for the removal of gaseous and metallic fission products (FP) where $ce{He}$ bubbles are injected into the core from the bottom and extracted from the top of the fuel circuit. Bubbles are expected to remove FP from the salt through various mechanisms, in particular, floating for metallic FP and mass transfer for gaseous ones. Proposals also exist to exploit this system to regulate the reactivity in the reactor, through the void feedback. The present work is aimed at performing a comprehensive analysis on the $ce{He}$ bubbling system, focusing on gaseous fission products (GFPs). In particular, we investigate both its operation and its safety-related features, in order to get information useful for the design of such a system and to assess the convenience of its adoption. Accordingly, our investigations split into two strands: analysing the bubbling system itself, and investigating the effects of this feature on the reactor as a whole. Investigations of the first kind include quantifying the efficiency of GFP removal through a characteristic removal time. We also estimate the poisoning effect of GFPs in order to assess the usefulness of the bubbling system, finding that GFP poisoning is significantly smaller than the void feedback associated to $ce{He}$ injection. In particular, using an in-core bubbling system to handle GFP neutronic poisoning appears questionable. We finally evaluate the activity and decay heat of the removed gas, an aspect which crucially enters the design of the off-gas unit. Our results show that a dedicated cooling system is required. In order to perform the above analyses, we add the capability to simulate production, transport, and mass transfer of an arbitrary number of GFPs to a preexisting multiphysics solver. Information on mass transfer is required in the form of a correlation for the Sherwood number and a value for the Henry coefficient. Previously, only $^{135}ce{Xe}$ had been considered. While this isotope is certainly the most important poison in a thermal reactor, we provide strong evidence that this is not at all the case in a fast environment like the MSFR. Among our safety-related studies, we first evaluate the void coefficient, determining upper bounds on the $ce{He}$ flow-rate in order to avoid prompt supercriticality in case of loss of $ce{He}$ injection. This kind of accident is the subject of one of our simulation, for which we find numerical values. We also consider another accident, complete loss of $ce{He}$ removal. Its expected outcome is just a reactor shutdown, but we find that this accident is not entirely harmless, for the void fraction in the pump region sharply increases, possibly damaging it. Finally, we consider the effect of $ce{He}$ on the flow-rate - power curve. The effects here are significant, changing the curve entirely: at the $ce{He}$ flow-rate we investigate, an increase in flow-rate causes the power to increase, the converse of the single-phase situation. These considerations show that using both salt and $ce{He}$ flow-rate to control the reactor would be difficult.

Il Reattore Veloce a Sali Fusi (MSFR) è un reattore nucleare in fase di sviluppo nel contesto dei reattori nucleari di IV generazione. Esso è caratterizzato dall'uso di una miscela di sali fusi sia come combustibile che come termovettore e da uno spettro veloce. Una proposta per l'MSFR è l'adozione di un sistema di iniezione di bolle per la rimozione dei prodotti di fissione (PF) gassosi e metallici: bolle di $ce{He}$ verrebbero iniettate nel nocciolo dal basso ed estratte dall'alto. Ci si aspetta che le bolle possano rimuovere i PF dal sale attraverso vari meccanismi, in particolare, trasporto di massa per i gassosi e galleggiamento per i metallici. Esistono anche proposte per utilizzare l'iniettore di bolle per il controllo del reattore, tramite la retroazione sulla frazione di vuoto. Il presente lavoro mira ad effettuare un'analisi del sistema di iniezione di bolle, con particolare riguardo per i prodotti di fissione gassosi (PFG). In particolare, ci occupiamo sia di operazione che di sicurezza, ottenendo informazioni utili per il progetto di un tale sistema e per valutare l'opportunità della sua adozione. Pertanto, le nostre indagini si dividono in due: analizzare il sistema di iniezione di bolle in sé, e studiarne gli effetti sul reattore nel suo complesso. Tra le indagini del primo tipo abbiamo la quantificazione dell'efficienza di rimozione dei PFG tramite un tempo di rimozione caratteristico. Inoltre, al fine di valutare l'utilità del sistema d'iniezione di bolle, stimiamo il contributo in reattività dei veleni gassosi, trovando che esso è significativamente minore della retroazione sulla frazione di vuoto associata alle bolle di $ce{He}$. In particolare, l'utilità di un sistema d'iniezione di bolle nel nocciolo nel gestire i veleni gassosi appare dubbia. Infine, valutiamo l'attività e il calore di decadimento del gas rimosso, un aspetto chiave nella progettazione dei sistemi di riprocessamento. I nostri risultati mostrano che è necessario un impianto di raffreddamento dedicato. Per poter effettuare le analisi di cui sopra, aggiungiamo la capacità di simulare la produzione, il trasporto e il trasferimento di massa per un numero arbitrario di PFG ad un risolutore multifisico preesistente. Informazioni sul trasporto di massa sono richieste nella forma di una correlazione per il numero di Sherwood e di un valore per il coefficiente di Henry. Lavori precedenti avevano considerato il solo $^{135}ce{Xe}$. Questo isotopo è certamente il più importante veleno in un reattore termico, ma forniamo qui forte evidenza che non sia affatto così in un reattore veloce come l'MSFR. Per quanto riguarda la sicurezza del reattore, troviamo anzitutto il coefficiente di vuoto, determinando un limite superiore per la portata di $ce{He}$, necessario per evitare supercriticità pronta nel caso venga meno l'iniezione del gas. Quest'incidente è l'oggetto di un'altra nostra simulazione, in cui troviamo valori numerici. Consideriamo anche un altro incidente, in cui venga meno la rimozione dell'$ce{He}$. L'effetto atteso di tale incidente è semplicemente lo spegnimento del reattore, ma esso non è comunque innocuo, in quanto la frazione di vuoto aumenta molto nella regione della pompa, il che può danneggiarla. Infine, consideriamo l'effetto dell'$ce{He}$ sulla curva portata-potenza. Qui gli effetti sono molto significativi e cambiano del tutto la curva: alla portata di $ce{He}$ che consideriamo, aumentare la portata di sale aumenta la potenza, il contrario di quel che avviene in condizioni monofase. Queste considerazioni suggeriscono che utilizzare sia la portata di sale sia quella di $ce{He}$ per il controllo del reattore sia difficilmente fattibile.