Object-oriented modelling of high temperature gas cooled SMR and desalination plants

In the present energy scenario, with the challenge of the climate change mitigation, a valuable opportunity is provided by nuclear hybrid energy systems (HES), i.e., power production communities characterized by the presence of nuclear systems, renewable energy power plants and cogeneration options. Their modelling is an essential part of the design process and for their analysis, both in terms of operational and safety procedures. In this work, models for an high temperature gas-cooled SMR (based on the Chinese HTR-PM) and for the main technologies of desalination plants (Reverse Osmosis, MultiStage Flash Distillation and MultiEffect Distillation) are developed and tested. An acausal, object-oriented, simulation language was chosen for its characteristic to be easily accessible and modifiable, modular and able to be inherited. Modelica code and OpenModelica open source software has been then selected for this scope: the work is based on the Modelica Standard Library, on ThermoPower 3.1 and on NuKomp 1.2. All the presented models are compatible also with the most common Modelica commercial version: Dymola. For the nuclear plant models, both a core and a secondary circuit were implemented. The core comprehends models for the helium behaviour, the neutronic kinetics and the heat transfer in the TRISO fuel which was verified using the software COMSOL Multiphysics. Steady state behaviour and various different transients have been studied with good results considering the simplifying assumptions, although an initial oscillation is present in the temporal thermal power profile. The single units, and all the components they are made of, are implemented also for the three considered desalination technologies: a double membrane unit for RO, a stage for MSF and an effect for MED. They have been tested in steady state and transients: despite some flaws of the models, good behaviour generally emerged especially in steady states. A base for the future works has been posed: refining of these models, cogeneration implementation and testing and development of other components of interest are the next step to an acausal HES library.

Nello scenario energetico corrente, una valida opportunità per la mitigazione del cambiamento climatico è data dai sistemi nucleari ibridi: sistemi per la produzione di potenza caratterizzati dalla presenza di impianti nucleari, impianti per le energie rinnovabili ed opzioni di cogenerazione. La creazione di modelli è una parte essenziale del loro processo di design e della loro analisi, sia in termini operazionali che di sicurezza. In questo lavoro, sono sviluppati e testati modelli per un reattore a gas ad alta temperatura (basato sul cinese HTR-PM) e per i principali impianti di dissalazione (Osmosi Inversa, Distillazione Flash MultiStadio e Distillazione a MultiEffetto). É stato scelto un linguaggio di simulazione acausale, orientato agli oggetti, in quanto facilmente accessibile e modificabile, modulare ed ereditabile. In particolare sono stati usati Modelica ed il software open source OpenModelica: questo lavoro è basato sulla Libreria Standard di Modelica ma anche su ThermPower 3.1 e NuKomp 1.2. Tutti i modelli saranno comunque compatibili con la versione commerciale più comune di Modelica: Dymola. Per quanto riguarda i modelli dell'impianto nucleare, sono stati sviluppati sia un nocciolo che un circuito secondario. Il primo comprende modelli per la descrizione dell'elio, per la cinetica neutronica e lo scambio termico nel combustibile TRISO, che a sua volta è stato verificato con il software COMSOL Multiphysics. I modelli sono stati studiati sia in stato stazionario che in transitorio con buoni risultati considerate le assuzioni fatte, nonostante sia presente un'oscillazione nel profilo temporale della potenza termica. Per i tre impianti di dissalazione sono state sviluppate le singole unità base e i componenti che le compongono: l'unità a doppia membrana per RO, lo stadio per MSF e l'effetto per MED. I modelli sono stati testati in stazionario ed in trasitorio: nonostante qualche problema di implementazione, i risultati ottenuti sono generalmente coerenti con quelli aspettati, soprattutto in caso stazionario. Questo lavoro rappresenta una base per gli sviluppi futuri: il miglioramento di questi modelli, l'implementazione di configurazioni di cogenerazione e lo sviluppo di altri impianti necessari sono i passi successivi verso una libreria acausale per i sistemi ibridi.