Multiphysics modelling approach for the analysis of noble metals deposition in the molten salt fast reactor

Molten Salt Reactors (MSRs) are an innovative nuclear reactor concept where, differently from any conventional design, a molten salt mixture acts both as fuel and coolant. This peculiar reactor configuration, selected by the Generation IV International Forum as one of six promising nuclear technologies, allows for remarkable safety features and resources utilization. The implications of a circulating-fuel design are of complex and diverse nature, hence requiring custom simulations tools. A fast-spectrum, fluorides-based version of this reactor family, the so called Molten Salt Fast Reactor (MSFR), is the focus of the SAMOSAFER European project (H2020). Within this innovative context, the aim of this thesis is to equip an existing OpenFOAM multiphysics solver (msfrFoam) with new features to tackle the problem of noble metals deposition on the inner surfaces of the reactor core. This family of fission products, the so-called 5Ms, is of particular interest for the design of the MSFR due to the very low sol- ubility in the fluoride environment. 5Ms particles, indeed, tend to deposit on cold surfaces (e.g., heat exchangers) or to be caught by the helium bubbling system. In order to im- prove the modeling, a new diffusion term was introduced, followed by the implementation of a custom boundary condition, which was then verified against a reference analytical case. To acquire useful insights, a sensitivity analysis on simplified mesh refinement was conducted as well. This revealed a non-negligible impact on the results of the simulations, suggesting that a so-called deposition velocity can be extracted from a more refined mesh and applied on coarse ones. Such an approach is particularly valuable considering the computationally burdensome simulations involved in the modeling of the MSFR. Finally, after some 5Ms properties preprocessing, steady state simulations were performed on a 16th of the full reactor. Different mesh instances of the same geometry were tested, and the deposition velocity strategy has proven to yield satisfactory results with respect to the quantities of interest. The developed ability to model 5Ms represents an important contribution to the advancement of the msfrFoam multiphysics solver and, consequently, to the design of the MSFR itself.

I Molten Salt Reactors (Reattori a Sali Fusi) sono un concetto innovativo di sistema nucleare, in cui una miscela di sali fusi funge sia da combustibile che da refrigerante. Questa particolare configurazione, selezionata dal Generation IV International Forum come tecnologia promettente, presenta elevati standard di sicurezza e un utilizzo efficiente delle risorse di combustibile. Le conseguenze dell’impiego di combustibile circolante sono di complessa e diversa natura e richiedono strumenti di simulazione ad hoc. Il design di riferimento nel progetto europeo SAMOSAFER (H2020) è una versione a spettro veloce e con sali fusi di fluoruri, denominata Molten Salt Fast Reactor (MSFR). L’obiettivo di questa tesi è quello di aggiungere ad un solver multifisico in OpenFOAM (msfrFoam) nuove funzionalità per affrontare il problema di metalli nobili depositanti sulle superfici interne del reattore. Questa famiglia di prodotti di fissione, detta 5Ms, mostra una ridotta solubilità nei fluoruri, ed è quindi di particolare interesse per la progettazione dell’MSFR. Le particelle di 5Ms, infatti, tendono a depositarsi sulle superfici fredde (come gli scambiatori di calore) oppure a essere catturate dal sistema di iniezione di bolle di elio. Al fine di migliorare la modellazione, è stato introdotto un nuovo termine di diffusione, seguito dall’implementazione di una condizione al contorno opportunamente verificata con un caso laminare analitico. Successivamente, è stata condotta un’analisi di sensibilità su un caso semplificato di mesh refinement. Ciò ha mostrato un impatto non trascurabile sui risultati delle simulazioni, suggerendo che la cosiddetta velocità di deposizione può essere estratta da una mesh sufficientemente fine e applicata a mesh più lasche. Un approccio di questo tipo è particolarmente vantaggioso considerata l’intensità di risorse computazionali normalmente richieste per la simulazione dell’MSFR. Infine, dopo aver rielaborato le proprietà dei 5Ms, è stata eseguita una serie di simu- lazioni su un sedicesimo di nocciolo di reattore. Diverse mesh, applicate sulla medesima geometria, sono state testate e la strategia basata sulla velocità di deposizione si è rivelata soddisfacente nel simulare le quantità di interesse. Le capacità di modellazione dei 5Ms, così sviluppate, rappresentano un importante contributo al solver multifisico msfrFoam e, di conseguenza, al design dell’MSFR stesso.