Thermo-mechanical analysis of heat pipe cooled reactor for space applications with OpenFOAM

Based on the growing interest in nuclear solutions in space exploration, the promising concept of heat pipe cooled modular reactors was investigated with the aim of having a base of tools and knowledge to study and develop applications in the space sector such as space propulsion and the generation of energy on the surface of other planets. This work has its roots in a research project, called Nuclear4Space, born as a collaboration between Politecnico di Milano and Thales Alenia Space - Italy. The goal is to support a preliminary analysis of a reactor for space applications through thermal and mechanical analysis of the fuel with OpenFOAM. Within the Nuclear4Space project, collaboration with neutron analysis would take place through the exchange of results regarding the thermal and deformation profile of the fuel and the power parameter; a second collaboration would take place with the modelling of the heat pipes by exchanging the results about the thermal profile of the walls in contact with them. The reason for using OpenFOAM is the possibility to implement equations to add the neutronic model to the thermomechanical model. This work presented involves a steady-state analysis at operating conditions of a typical heat pipe cooled reactor called KRUSTY (Kilowatt Reactor Using Stirling TechnologY). The results are compared with existing ones from the non-nuclear test of the KRUSTY experiment. The results show the ability of the used solver to carry out a thermomechanical analysis of nuclear fuel under operating conditions so as to have a starting point for the subsequent implementation of the neutronics.

Sulla base del crescente interesse per le soluzioni nucleari nell’ambito dell’esplorazione spaziale, è stato studiato il promettente sistema di reattori modulari raffreddati tramite heat pipe con l’obiettivo di dis porre di una base di strumenti e conoscenze per studiare e sviluppare applicazioni nel settore spaziale come la propulsione spaziale e la generazione di energia sulla superficie di altri pianeti. Questo la voro affonda le sue radici in un progetto di ricerca, chiamato Nuclear4Space, nato come collaborazione tra il Politecnico di Milano e Thales Alenia Space - Italia. L’obiettivo è quello di dare supporto ad un’analisi preliminare di un reattore per applicazioni spaziali attraverso un’analisi termica e mecca nica del combustibile con OpenFOAM. Nell’ambito del progetto Nuclear4Space, la collaborazione con l’analisi neutronica avverrebbe tramite lo scambio dei risultati riguardanti il profilo termico e defor mativo del combustibile e il paramentro di potenza; una seconda collaborazione avverrebbe con la modellazione delle heat pipe tramite lo scambio dei risultati riguardanti il profilo termico delle pareti a contatto con esse. Il motivo dell’utilizzo di OpenFOAM è la possibilità di implementare equazioni per aggiungere il modello neutronico al modello termomeccanico. Il lavoro presentato prevede un’analisi in stato stazionario alle condizioni operative di un tipico reattore raffreddato tramite heat pipe de nominato KRUSTY (Kilowatt Reactor Using Stirling TechnologY). I risultati vengono confrontati con quelli esistenti del test non nucleare dell’esperimento KRUSTY. I risultati mostrano la capacità del risolutore utilizzato di effettuare un’analisi termomeccanica di un combustibile nucleare in condizioni operative così da avere un punto di partenza per la successiva collaborazione con l’analisi neutronica.