Modeling of liquid metal heat pipes for space applications

This thesis has been developed with the aim of model liquid metal heat-pipes (in our case, Sodium) for space application, to the point of ensuring the correct functioning of the cooling system of a nuclear reactor in an extra-terrestrial environment (Moon or Space). Nuclear technology is an excellent approach to ensure high power and long-lasting stability, and it is for this reason that NASA has created the Kilopower project, with the aim of providing electricity for the moon landing planned by the ARTEMIS program in 2024. This thesis will initially present a general overview of electricity converters in Space, a description of the Kilopower project with an in-depth analysis of the KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY) prototype, taken as a reference in this thesis, and a good chapter on the description of heat-pipes. Later on, a detailed description of the calculations of the operating limits of heat pipes and of the models developed will be made: a lumped parameter model and a pure conduction model. The first has the advantage of being able to treat the system with simplified parameters that encompass all the physics of the system, and it is possible to develop an electrical equivalent circuit where the potential difference will be treated as temperature, electric current as thermal power, resistances, and thermal capacitance as electrical equivalents. This applies to both the solid and fluidic parts. The pure conduction model, on the other hand, allows to carry out a physical study on both temporal and radial/axial behaviour of the heat pipe, avoiding having to deal with complicated development methods such as computational fluid dynamics. The final chapters are dedicated to results of the research. A comparison between the models and with reference data has been done in terms of temperature, concluding that the Lumped parameter model is able to provide accurate results, but has a disadvantage which consists of the impossibility of obtain a radial or axial temperature distributions; on the other hand, with the pure conduction model are obtained radial and axial temperature profiles, but with an error greater than 1% about the adiabatic section. This is a limit of the pure conduction model in this thesis. For the other temperatures small errors are achieved (the most <0.5%). In the last chapter will be described a resume of the work, a discussion of results and future developments.

Questa tesi è stata sviluppata con l’obiettivo di modellare una heat-pipe a metalli liquidi (nel nostro caso, il Sodio) per applicazioni spaziali, al punto di garantire il corretto funzionamento del sistema di raffreddamento un reattore nucleare in un ambiente extra-terrestre (Luna o Spazio). La tecnologia nucleare risulta essere un ottimo approccio per garantire alte potenze e stabilità durativa nel tempo, ed è per questo motivo che la NASA ha ideato il progetto Kilopower, con l’obiettivo di fornire energia elettrica per l’allunaggio previsto dal programma ARTEMIS nel 2024. Questo lavoro di tesi presenterà inizialmente un quadro generale riguardante i convertitori di energia elettrica nello Spazio, una descrizione del progetto Kilopower con un approfondimento sul prototipo KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY), preso come riferimento in questa tesi, e un buon capitolo sulla descrizione delle heat-pipes. Più in avanti sarà fatta invece una descrizione dettagliata dei calcoli dei limiti di funzionamento delle heat pipes e dei modelli sviluppati: un modello a parametri concentrati e uno di pura conduzione. Il primo ha il vantaggio di poter trattare il sistema con parametri semplificati che racchiudono tutta la fisica del sistema, ed è possibile svilupparne un circuito equivalente elettrico dove la differenza di potenziale sarà trattata come temperatura, corrente elettrica come potenza termica, resistenze e capacità termiche come equivalenti elettrici. Vale sia per la parte solida che per la parte fluidica. Il modello di pura conduzione, invece, permette di effettuare uno studio fisico sul comportamento sia temporale che radiale/assiale della heat pipe, evitando di avere a che fare con complicati metodi di sviluppo quali la fluidodinamica computazionale. Gli ultimi capitoli sono dedicati ai risultati della ricerca. È stato fatto un confronto tra i modelli e con i dati di riferimento in termini di temperatura, concludendo che il modello a parametri concentrati è preciso dal punto di vista dei risultati, ma presenta uno svantaggio che consiste nell'impossibilità di ottenere un grafico radiale o assiale; con il modello a conduzione pura si ottengono invece profili di temperatura radiali e assiali, ma con un errore maggiore dell’1% riguardante la sezione adiabatica. Questo è un limite del modello di conduzione pura in questa tesi. Per le altre temperature si ottengono piccoli errori (la maggior parte <0,5%). Nell'ultimo capitolo verrà descritto un riassunto del lavoro, una discussione dei risultati e degli sviluppi futuri.