Thermal-hydraulics study of natural circulation in innovative reactor

The present work examines the primary side natural circulation phe- nomenon in an innovative sodium-cooled, graphite-moderated nuclear reactor. The goal of the project, which was carried out during a six-month internship at CEA- Cadarache, was to study the robustness of the proposed concept with respect to a Design-Basis Accident (DBA) thorugh the developement of analytical and numer- ical simulation tools. In this context, an analytical model, able to describe steady- state operation, has been derived. Then, the french System Thermal-Hydraulics (STH) code CATHARE, has been used to perform transient simulations. An in- put deck for the STH code, comprehensive of primary and secondary side, was created and verified under steady-state operation against the derived analytical model. The comparison analysis confirmed the accuracy and usefulness of the created CATHARE input deck by demonstrating a good degree of consistency between the analytical model and the CATHARE simulation. Then, under the assumption of Unprotected Loss Of Heat Sink (ULOHS), transient calculations have been performed using the verified CATHARE model. Promising insights into the thermal-hydraulics performance of the proposed reactor concept were obtained from these time-dependent simulations. The outcomes point to positive traits that imply stability and robustness in the event of heat sink loss. These results highlight the novel sodium-cooled, graphite-moderated reactor design’s potential feasibility and provide insightful information for further development and optimization.

Il presente lavoro analizza la circolazione naturale in un reattore innovativo raffreddato a sodio e moderato a grafite. Lo scopo del progetto, sviluppato durante un tirocinio di sei mesi al CEA di Cadarache, è stato quello di studiare la robustezza del concetto proposto rispetto all’incidente di riferimento postulato attraverso lo sviluppo di strumenti di simulazione analitici e numerici. In tale contesto è stato sviluppato un modello analitico in grado di descrivere le condizioni di funzionamento in stato stazionario. Oltre a tale modello, nell’ambito del presente lavoro è stato utilizzato il codice termoidraulico di sistema CATHARE per effettuare simulazioni in regime tran- sitorio. Un file di input per il suddetto codice di sistema, comprendente circuito primario e circuito secondario, è stato creato e successivamente verificato rispetto allo stato stazionario calcolato tramite il modello analitico. L’analisi comparativa ha confermato la capacità predittiva per lo stato stazionario del modello CATHARE e ne ha evidenziato la sua utilità per le simulazioni in regime transitorio, dimostrando un buon grado di consis- tenza rispetto ai risultati attesi. Infine, postulando un incidente di perdita di pozzo termico senza inserzione di reattività, è stato analizzato il comportamento globale del reattore tramite il modello CATHARE preceden- temente verificato. I risultati ottenuti mostrano delle prestazioni termoidrauliche promettenti per il concetto di reattore proposto, mettendone alla luce le caratteristiche di stabilità e robustezza rispetto all’incidente di riferimento postulato. La potenziale fattibilità del progetto di un reattore refrigerato a sodio e moderato a grafite è dunque messa in evidenza dal presente lavoro, il quale propone inoltre dei possibili sviluppi futuri di concezione e ottimizzazione.