Analysis of the oscillations inside a Molten Salt Fast Reactor through Large Eddy Simulations and Reynolds Stress Model

The Molten Salt Fast Reactor (MSFR) represents the chosen concept within the Generation IV International Forum (GIF-IV) framework, embodying the ideals of sustainability, safety, and proliferation resistance in liquid-fueled reactors. Its unique characteristics, particularly the circulating fuel, result in a profound interconnection between neutronics and thermal-hydraulics. This inherent complexity has caused a growing interest in employing numerical simulations to comprehensively analyse reactor behavior, integrating all relevant physics within a unified computational environment. Within this context, the OpenFOAM toolkit has emerged as a suitable platform for investigating MSFR behavior, offering solvers capable of addressing the intricacies of this multifaceted problem. The primary objective of this thesis is to delve into the oscillatory behavior of flow variables within the reactor. To achieve this goal, the models, geometries and meshes must be tested through simulations. These simulations utilise an incompressible solver that couples thermo-hydraulics equations from the Navier-Stokes set with multi-group neutron diffusion approximation, alongside transport equations for delayed neutron and decay heat precursors. Two simulation domains are employed: a 2D representation for initial simplification and a more realistic 3D representation of a symmetric portion of the primary circuit. Additionally, two turbulence models are selected for comparison: the Reynolds Stress Model (RSM) and Large Eddy Simulation (LES). The first set of simulations are performed on the 2D preparatory geometry, investigating the value of the temperature feedback coefficient, performing a mesh sensitivity analysis using both turbulence models and subsequently comparing the RSM and LES results. The second part revolves around the 3D geometry, for which an assessment regarding the optimal coding for the pump is performed. Then, like the previous geometry, the two turbulence models are used for the mesh sensitivity analysis and subsequently compared. The culmination of the study is the comprehensive analysis of oscillatory behavior through the knowledge acquired with the previous simulations, examining the impact of external oscillation contributions and buoyancy effects. Additionally, the thesis offers a brief overview of the work conducted, with considerations on the obtained results and outlines potential avenues for future research and development in this field.

Il Reattore veloce a sali fusi (MSFR) rappresenta il concetto scelto all'interno del quadro del Generation IV International Forum (GIF-IV), incarnando gli ideali di sostenibilità, sicurezza e resistenza alla proliferazione nei reattori a combustibile liquido. Le sue caratteristiche uniche, in particolare il combustibile circolante, portano ad una profonda interconnessione tra neutronica e termoidraulica. Questa complessità intrinseca ha suscitato un crescente interesse nell'impiego di simulazioni numeriche per analizzare in modo esaustivo il comportamento del reattore, integrando tutti i fenomeni fisici rilevanti all'interno di un unico ambiente computazionale. In questo contesto, OpenFOAM è emerso come lo strumento adatto per investigare il comportamento del MSFR, offrendo risolutori capaci di affrontare le complessità di questo problema sfaccettato. L'obiettivo principale di questa tesi è approfondire il comportamento oscillatorio delle variabili di flusso all'interno del reattore. Per raggiungere questo obiettivo, i modelli, le geometrie e le griglie devono essere testati attraverso delle simulazioni. Queste simulazioni utilizzano un risolutore incomprimibile che accoppia le equazioni della termoidraulica di Navier-Stokes con l'approssimazione della diffusione neutronica multigruppo, insieme alle equazioni di trasporto per i neutroni ritardati e i precursori del calore di decadimento. Vengono impiegati due domini di simulazione: uno 2D per una semplificazione iniziale e uno 3D più realistico che rappresenta una porzione simmetrica del circuito primario. Inoltre, vengono selezionati due modelli di turbolenza per il confronto: il modello degli stress di Reynolds (RSM) e la Simulazione delle Grandi Energie Turbulente (LES). Il primo set di simulazioni viene eseguito sulla geometria preparatoria 2D, investigando il valore del coefficiente di retroazione della temperatura, analizzando la sensibilità della griglia per entrambi i modelli di turbolenza e confrontando i risultati di RSM e LES. La seconda parte ruota attorno alla geometria 3D, per la quale viene valutata la codifica ottimale per la pompa. Poi, come nella precedente geometria, i due modelli vengono utilizzati per l'analisi della sensibilità della griglia e successivamente confrontati. Il culmine dello studio è l'analisi esaustiva del comportamento oscillatorio attraverso le conoscenze acquisite con le simulazioni precedenti, esaminando l'impatto dei contributi oscillatori esterni e degli effetti di galleggiamento. Inoltre, la tesi offre una breve panoramica del lavoro svolto, con considerazioni sui risultati ottenuti e delinea possibili percorsi per la ricerca e lo sviluppo futuri in questo campo.