Dynamic analysis of the Dynasty-eDynasty coupled system

In the Nuclear Energy field, particularly attention is paid to the security of the plants, with the goal of mitigating the risks of several accidents. Reducing risk and improving the safety of Nuclear Power Plants has led to the implementation, in their design, of redundant or passive security systems. The Gen-IV reactor-type Molten Salt Reactor relies on the Natural Circulation phenomenon to provide cooling to the core during an accident, when a malfunction does not allow hydraulic pumps to work properly. In this way, studies aimed at the development and validation of natural circulation models are of primary importance. Model validation and collecting experimental data for Natural Circulation Loops (NCLs) are the main purpose of the DYNASTY-eDYNASTY facility (DYnamics of NAtural circulation for molten SalT internallY heated), which is built on the premises of the Politecnico di Milano and can operate either as Single Natural Circulation Loop (SCNL) or as Coupled Natural Circulation Loops (CNCL). In this Thesis, general 1D dynamic equations were derived, for the mass, momentum and energy balance, to describe each configuration for a Natural Circulation Loop, and they were completed with the model for friction factor and heat transfer coefficient found in the literature. This work uses numerical algorithms to solve the non-linear momentum equations in order to obtain the stationary solution, starting from the analytical solution of the pressure and temperature field. In the analysis, it was observed that irreversibilities and density dependence on pressure are negligible effects, which do not influence the stationary solution. The differences between solutions for the CNCL and the ones obtained through the DYMOLA® model, based on MODELICA language, have been the subject of a code review of the MODELICA libraries which highlighted a lack parameter in the ThermoPowerIHG library which conducts to different temperature estimation compared to the algorithm. Then studies on the stability of the stationary solutions through linear stability analysis have allowed the creation of Stability Maps (SM) for both SCNL and CNCL. The SM for the configurations of the SCNL confirmed that asymmetric loops are more stable than their symmetric counterparts. A preliminary comparison between some points of the SM of the CNCL and the results obtained by the DYMOLA® model has confirmed the unstable region in the transition from laminar to turbulent fluid regime, and future studies must be conducted to verify other unstable zones.

Nel campo dell'energia nucleare, si presta particolare attenzione alla sicurezza delle centrali, con l'obiettivo di mitigare i rischi di vari incidenti. La riduzione dei rischi e il miglioramento della sicurezza delle centrali nucleari hanno portato all'implementazione, nella loro progettazione, di sistemi di sicurezza ridondanti o passivi. Il reattore di tipo Gen-IV, noto come Reattore a Sali Fusi, fa affidamento sul fenomeno di Circolazione Naturale per fornire il raffreddamento al nocciolo durante un incidente, quando un malfunzionamento non permette alle pompe idrauliche di operare correttamente. In questo modo, gli studi finalizzati allo sviluppo e alla validazione di modelli di circolazione naturale rivestono un'importanza primaria. La validazione del modello e la raccolta di dati sperimentali per i Loop di Circolazione Naturale (NCLs) sono lo scopo principale della struttura denominata DYNASTY-eDYNASTY (Dinamica della Circolazione Naturale per il Riscaldamento Interno dei Sali Fusi), situata presso il Politecnico di Milano e in grado di operare sia come Loop di Circolazione Naturale Singolo (SCNL) che come Loop di Circolazione Naturale Accoppiato (CNCL). In questa tesi, sono state derivate equazioni dinamiche generali 1D per il bilancio di massa, momento ed energia al fine di descrivere ciascuna configurazione di un Loop di Circolazione Naturale, e sono state integrate con modelli per i coefficienti di attrito e i coefficienti di trasferimento di calore reperibili nella letteratura. Sono stati sviluppati algoritmi numerici per risolvere le equazioni di momento non lineari al fine di ottenere la soluzione stazionaria, partendo dalla soluzione analitica del campo di pressione e temperatura. Nell'analisi delle soluzioni stazionarie si è osservato che gli effetti delle irreversibilità e della dipendenza della densità dalla pressione sono trascurabili e non ne influenzano il risultato. Le differenze tra le soluzioni per il CNCL e quelle ottenute attraverso il modello DYMOLA®, basato sul linguaggio MODELICA, sono state oggetto di una revisione del codice delle librerie MODELICA, che ha evidenziato la mancanza di un parametro nella libreria ThermoPowerIHG, il quale conduce a una stima della temperatura diversa rispetto all'algoritmo. Successivamente, gli studi sulla stabilità delle soluzioni stazionarie attraverso l'analisi di stabilità lineare hanno permesso la creazione di Mappe di Stabilità (SM) sia per il SCNL che per il CNCL. Le SM per le varie configurazioni scelte del SCNL hanno confermato che i loop asimmetrici risultano più stabili rispetto alle controparti simmetriche. Un confronto preliminare tra alcuni punti della SM del CNCL e i risultati ottenuti col modello DYMOLA® confermano la presenza della regione instabile nella transizione dal regime fluido laminare a quello turbolento, e futuri studi dovranno essere condotti per verificare altre zone instabili.