Investigation of dimensional effects in the modeling of the MSFR

The MSFR (Molten Salt Fast Reactor) is characterized by the presence of complex phenomena due to the liquid nature of the fuel, which circulates in the primary circuit. In the last decade, the need to catch certain effects has pushed the need for the development of advanced simulation tools. Nonetheless, in some circumstances the point-kinetics model is preferred, but the use of this reduced order model might lead to inaccuracies in the predicted behavior of the reactor. The scope of this work is firstly to investigate the effect of the dimensionality of the models using GeN-Foam, an OpenFOAM based solver for the multi-physics analysis of nuclear reactors. The MSFR behavior has been characterized both at steady state and during transients. Differences regarding the adopted modelling choices, such as the dimensionality, have been highlighted. Secondly, a methodology for combining detailed description of the core behavior and a lower-level approach on the system level is proposed. GeN-Foam has been coupled with a Modelica-based model for the intermediate heat exchanger and a transient scenario involving a control system has been shown. A PI controller is used to simulate an increase of the thermal output of 10% acting on the flow rate in the intermediate loop. The results show that the method employed in this work paves the way for full-plant multi-fidelity models for the analysis of MSRs and other advanced reactor concepts.

l reattore a sali fusi a spettro veloce - in inglese Molten Salt Fast Reactor (MSFR) - è caratterizzato dalla presenza di fenomeni complessi dovuti al fatto che il combustibile nucleare, che agisce contemporaneamente da fluido termovettore, circola all’interno del circuito primario. La necessità di descrivere questi fenomeni ha portato nell’ultimo decennio allo sviluppo di strumenti di simulazione avanzati. Tuttavia, in alcuni contesti viene preferito l’utilizzo della cinetica puntiforme, che tuttavia può portare a trascurare alcuni effetti. Lo scopo di questo lavoro è quello di investigare gli effetti della dimensionalità dei modelli utilizzando GeN-Foam, un risolutore multi-fisico orientato all’analisi di reattori nucleari avanzati basato su OpenFOAM. Il comportamento dell’MSFR è stato caratterizzato sia in stato stazionario, sia durante transitori. Sono state evidenziate le differenze tra approcci modellistici diversi, che si distinguono per via della dimensionalità. Successivamente è stata proposta una metodologia per accoppiare uno strumento che descrive il comportamento del reattore in maniera fedele ed uno che adotta un modello a parametri concentrati, utilizzati in genere per valutare il comportamento del sistema in maniera olistica. GeN-Foam è stato accoppiato a un modello del circuito intermediario basato sul linguaggio Modelica, ed è stato studiato un transitorio riguardante uno scenario di controllo. Un controllore di tipo PI (Proporzionale-Integrale) è stato adottato per aumentare la potenza termica del 10% agendo sulla portata nel circuito intermediario. I risultati mostrano che il metodo proposto è una possibile via per sviluppare modelli multi-scala per l’intero impianto, sia per reattori a sali fusi che per altri tipi di reattori avanzati.