Optimization and design procedure of a potassium Rankine cycle for Nuclear Electric Propulsion

A renewed interest in deep space exploration has grown over the last few years, and groundbreaking technologies are being investigated worldwide to get these challenging missions closer to feasibility. In the field of spacecraft propulsion, the Nuclear Electric technology (NEP) is seen as a future game changer. Thanks to the high power and specific impulse achievable, travel time and safety hazards associated with long-duration flights might be reduced. In a collaboration with the LPSC of Grenoble, this thesis work is part of the endeavor of implementing an optimization code capable of comparing different nuclear reactor concepts as well as power conversion systems (PCS) in order to provide the best engine configuration for any mission requirement. The focus is especially dedicated to the definition of a procedure aimed at determining the best Rankine cycle design from a system-specific mass (kg/kWe) point of view. By retrieving research activities from the early days of the U.S. space power program, the potentialities of such a thermodynamic cycle when combined with liquid metals such as potassium are presented. Moreover, the analysis points out the additional benefits of adopting a 1 MWth molten salt micro-reactor as a long-lasting and virtually maintenance-free power source. All thermal-physical calculations related to the cycle are performed using the Modelica language, which has been extended by including a specifically developed heat transfer model for potassium flow. The numerical results thus obtained are employed within a Python environment to create a metamodel version of the system, which is then processed to finalize the optimization. Outcomes show the PCS specific mass significantly decreasing down to 4 kg/Kwe with the increase of condenser temperature, which drives both the cycle and radiator efficiency. The latter confirms to be the most massive component for power outputs above 100 kWe, with cycle efficiency remaining a key parameter for trade-off analysis.

L'esplorazione dello spazio profondo è stata protagonista negli ultimi anni di un rinnovato interesse che ha portato alla ricerca di tecnologie innovative in grado di rendere possibile questo genere di missioni così complesse. Nell'ambito della propulsione spaziale, quella nucleare di tipo elettrico è vista come un possibile punto di svolta: grazie alle alte potenze e al considerevole impulso specifico che è in grado di generare, i tempi di viaggio e i rischi associati a missioni di lunga durata possono essere apprezzabilmente ridotti. Attraverso una collaborazione con LPSC di Grenoble, questa tesi fa parte di un progetto per lo sviluppo di un codice di ottimizzazione capace di confrontare diversi modelli di reattore e di sistema di conversione dell'energia con l'obiettivo di definire, a seconda del carattere della missione, la configurazione propulsiva migliore. Nello specifico lo studio è dedicato all'individuazione di una procedura per determinare le condizioni ottimali di un ciclo Rankine dal punto di vista della massa specifica (kg/kWe) del sistema. Per cominciare vengono presentate le potenzialità di tale ciclo termodinamico combinato all'impiego di metalli liquidi come il potassio, ripercorrendo i risultati delle principali attività di ricerca svolte nei primi anni del programma spaziale statunitense. L'analisi prosegue mettendo in evidenza i benefici addizionali che l'adozione di un micro reattore a sali fusi da 1 MWth può garantire in quanto sorgente termica di lunga durata e praticamente auto-sufficiente. Per quel che riguarda la fisica del sistema, ogni calcolo è svolto grazie al linguaggio Modelica che è stato arricchito di un modello appositamente implementato per lo scambio termico del potassio. In seguito, i dati numerici così ottenuti vengono sfruttati in ambiente di programmazione Python per la creazione di un meta-modello, il quale viene a sua volta impiegato per finalizzare l'ottimizzazione. In conclusione i risultati mostrano che la massa specifica tende a diminuire fino a valori intorno a 4 kg/kWe all'aumentare della temperatura del condensatore che difatti stabilisce sia l'efficienza radiativa che quella dell'intero ciclo. Inoltre il sistema di raffreddamento costituisce il componente più pesante per tutte le configurazioni con potenza superiore a 100 kWe, per l'ottimizzazione delle quali l'efficienza totale resta un parametro essenziale.