Multiphysics modelling of solid fission products transport in the molten salt fast reactor

Due to its innovative design and the strong coupling among thermal hydraulics, neutronics and fuel chemistry, the multiphysics approach has become a standard tool to address the design and analysis of the Molten Salt Fast Reactor (MSFR). Despite recent advancements, the integration of fission products (FPs) transport modelling has not been addressed yet. Some FP species are not expected to form stable compounds with the constituents of the liquid fuel salt and are likely to deposit on reactor surfaces in the form of solid precipitates, giving rise to potential issues such as formation of localised decay heat sources as well as deterioration of heat exchanger performance. The correct evaluation of solid FPs distribution is also crucial for the estimation of the radiological and decay heat inventory of the reactor, and to design effective FPs management and reprocessing strategies. The main goal of this work is therefore the extension of state-of-the-art MSFR multiphysics tools towards the modelling and simulation of solid FPs within the reactor. Several aspects are covered, including (i) the treatment of deposition of precipitated solid particles on reactor walls, both from the modelling and numerical viewpoint; (ii) the modelling of precipitation/dissolution of FP particles to account for local temperature variations; (iii) effects of turbulence closure modelling on the prediction of transported species, especially for complex geometries. An advection-diffusion-decay model is first integrated in an incompressible single-phase multiphysics MSFR solver based on the open-source CFD library OpenFOAM. Then the developed models are tested on two-dimensional MSFR cases, showing the role of RANS turbulence modelling on the prediction of particle transport and deposition. The development of a three-dimensional LES model for the MSFR is also addressed, suggesting the feasibility of more advanced turbulence modelling approaches in the context of multiphysics analysis of the MSFR. Preliminary results show interesting dynamic behaviour, with promising applications in a wide range of MSFR studies.

Grazie a caratteristiche progettuali innovative e al forte accoppiamento tra termoidraulica, neutronica e chimica del combustibile, l'approccio multifisico è divenuto uno strumento standard nell'analisi e la progettazione del reattore veloce a sali fusi (MSFR). Nonostante i recenti progressi, il trasporto dei prodotti di fissione (FP) è un aspetto non ancora studiato nel dettaglio. Alcune specie di FP, che non formano composti stabili con i costituenti della miscela del combustibile liquido, possono depositare sulle superfici del reattore sotto forma di precipitati solidi, dando luogo a problematiche quali la formazione di sorgenti di calore di decadimento localizzate e il deterioramento delle prestazioni degli scambiatori di calore. La corretta previsione della distribuzione dei FP solidi è anche di rilievo per la stima dell'inventario radiologico e del calore di decadimento del reattore, e per lo studio di strategie efficaci per la gestione e il riprocessamento degli stessi FP. L'obiettivo principale di questo lavoro è dunque l'estensione degli strumenti di analisi multifisica per il MSFR allo stato dell'arte verso la modellazione del trasporto di FP solidi all'interno del reattore. Tra i diversi aspetti presi in esame figurano (i) la deposizione di particelle solide precipitate sulle pareti del reattore, da un punto di vista sia modellistico che numerico; (ii) la modellazione della loro precipitazione/dissoluzione in funzione delle variazioni locali di temperatura; (iii) gli effetti dovuti alla scelta dei modelli di turbolenza sulla stima delle specie trasportate, in particolare per geometrie più complesse. Delle equazioni di trasporto per i FP sono state dapprima integrate in un solutore multifisico monofase incomprimibile basato sulla libreria CFD open-source OpenFOAM. I modelli sviluppati sono stati poi testati su casi semplificati inerenti al MSFR, mostrando il ruolo dei modelli di turbolenza RANS nella previsione del trasporto e della deposizione delle particelle solide. Infine, è stato sviluppato un modello LES preliminare del reattore allo scopo di mostrare la fattibilità dell'impiego di approcci più avanzati di modellazione della turbolenza nel contesto dell'analisi multifisica del MSFR, con interessanti risvolti nello studio della dinamica e del controllo del reattore.