Multiphysics analysis of accidental transients for a Molten Salt Fast Reactor

The Molten Salt Fast Reactor is the concept chosen in the context of the Generation-IV International Forum (GIF-IV) as representative of the liquid-fueled reactors, since it complies with the goals of sustainability, safety, and proliferation resistance. The peculiarities intrinsic to the circulating fuel result in a deep interplay between neutronics and thermal-hydraulics. This feature motivated a growing interest in implementing numerical simulations to inspect the reactor behaviour coupling in the same environment all the physics involved. In this context, the OpenFOAM toolkit proved to be a suitable tool to investigate the MSFR behaviour through solvers suitable for nominal steady state and transient conditions. This thesis embraces the multiphysics approach and the objectives of the Horizon 2020 Euratom SAMOSAFER project. The ultimate objective is to assess the conditions on the containment of the MSFR and also the dynamic response of the reactor to accidental scenarios meant to explore the time evolution of the main operational parameters during unintended transients. The case study consists of a 3D domain representing a $16^{th}$ of the primary loop of a MSFR. The latter is simulated with solvers that couple the incompressible single-phase Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations with a multi-group neutron diffusion approximation, along with transport equations for delayed neutron and decay heat precursors. The first part of this thesis focuses on the steady state assessment of the nominal operating condition of the reactor. Furthermore, sensitivity analyses span over different modelling choices intrinsic to the numerical approach, starting from mesh and geometry, then to the turbulence modelling, and finally with sources and boundary conditions. The thesis proceeds with the simulations of the accidental scenarios. Firstly, a failure involving the primary pumps, namely an Unprotected Loss of Fuel Flow, is simulated and analysed in detail. Then, the degradation of the heat removal is investigated in two scenarios for an Unprotected Loss of Heat Sink. The final part of this work presents a preliminary verification of a transient solver coupled with the melting and solidification phenomena modelling, which is of interest in relation to the safety barriers of the freezing valves. 

Nell'ambito del Generation-IV International Forum (GIF-IV) i reattori veloci a sali fusi (MSFRs) rappresentano la famiglia di reattori a combustibile liquido, soddisfando gli obiettivi di sostenibilità, sicurezza e non proliferazione. Le caratteristiche insite in un combustibile in movimento si traducono in una profonda interazione tra la neutronica e la termo-idraulica. Ciò si concretizza in un crescente interesse nell'implementare simulazioni numeriche volte ad approfondire il comportamento del reattore, accoppiando nello stesso ambiente le diverse fisiche coinvolte. In tale contesto, OpenFOAM si è dimostrato uno strumento inestimabile per ispezionare il comportamento di un MSFR grazie allo sviluppo di solver adatti a simulare condizioni stazionarie nominali e transitorie. La tesi proposta abbraccia gli obiettivi del progetto Horizon 2020 Euratom SAMOSAFER così come l'approccio multifisico. Il fine ultimo è quello di valutare le condizioni della funzione di contenimento di un MSFR così come la risposta dinamica del reattore a scenari accidentali volti a apprezzare l'evoluzione temporale dei parametri operativi durante transitori non intenzionali. Il caso studio consiste in una rappresentazione 3D di un sedicesimo del circuito primario di un MSFR. Quest'ultimo viene simulato grazie a solvers che accoppino le equazioni Reynolds-Averaged Navier-Stokes per fluidi incomprimibili monofasici con l'approssimazione multigruppo per la diffusione neutronica ed equazioni di trasporto per i precursori dei neutroni ritardati e del calore di decadimento. La prima parte della tesi si concentra sulla valutazione delle condizioni operative nominali del reattore in stato stazionario. Inoltre, analisi di sensibilità indagano diverse scelte di modellazione intrinseche all'approccio numerico, a partire dalla geometria e dalla mesh, continuando con i modelli di turbolenza e infine con diversi tipi di sorgente e condizioni al contorno. La tesi prosegue con le simulazioni inerenti gli scenari accidentali. In primo luogo, viene simulato un danneggiamento che coinvolga le pompe primarie, o perdita di flusso di combustibile non mitigata (ULOFF). Successivamente, un deterioramento delle proprietà di scambio termico è analizzato attraverso due scenari di perdita del dissipatore di calore (ULOHS). La parte finale del lavoro presenta la verifica preliminare di un solver che includa durante i transitori la modellazione di fenomeni di fusione e solidificazione, di interesse per trattare il comportamento delle innovative valvole di congelamento di sicurezza.