Modelling and analysis of the nuclear steam supply system of a Small Modular Reactor

While the world faces the challenges of climate change, it is expected that nuclear and renewable energy will have a leading role in the transition to a carbon-free and more sustainable energy system. The integration of nuclear and renewable technologies in hybrid energy systems have sparked an increasing interest in the past few years, because they enable to combine power and non-power technologies in order to maximize the efficiency of the system and perform load following while lowering the wasted heat and the carbon emissions. The objective of this work is to create the dynamic model of the Nuclear Steam Supply System (NSSS) of a Small Modular Reactor, in order to simulate its behavior when integrated in a nuclear-renewable hybrid energy system. The dynamic model enables to analyze the response of the hybrid system’s components to transients and how the perturbations propagate from one subsystem to another, and also allows the user to adapt the control system accordingly. This model was built as part of the EC-Euratom funded project TANDEM, and it is intended to be combined with the models of other technologies of a cogeneration system that can be found in the open-source TANDEM library. The models were all created using the object-oriented and a-casual language Modelica and thanks to the flexibility of this language they can be assembled as necessary in increasingly complex architectures. The response of the NSSS to power transients is tested through benchmark analysis with different Modelica libraries, in order to provide a comprehensive analysis of the system’s behavior, and also leave the choice to the users on which library is more suitable to their needs. The model of pressurizer, which is one of the essential components for the operation of the reactor, is tested and validated separately and its response is compared to other mathematical models and experimental data. This work, together with the other models included in the TANDEM library, will provide a valuable instrument for the techno-economic study of hybrid energy systems in the European energy market, and for feasibility and operationality analysis, as part of the ongoing efforts to reach carbon neutrality on the continent by 2050.

Di fronte alla sfida globale del cambiamento climatico, si prevede che l’energia nucleare e le rinnovabili avranno un ruolo di primo piano nella transizione verso un mercato energetico a basse emissioni di carbonio e più sostenibile. L’integrazione delle tecnologie nucleari e rinnovabili in sistemi energetici ibridi ha suscitato un crescente interesse negli ultimi anni, dovuto al fatto che questi sistemi permettono di unire tecnologie energetiche e non, in modo da massimizzare il rendimento del sistema ed effettuare load-following, e al contempo minimizzare il calore di scarto e le emissioni di carbonio. L'obiettivo di questa tesi è costruire un modello dinamico del Nuclear Steam Supply System (NSSS) di uno Small Modular Reactor, al fine di simulare il suo comportamento se integrato in un sistema energetico ibrido nucleare-rinnovabile. Il modello dinamico consente di analizzare la risposta dei componenti del sistema ibrido a transitori e come si diffondono le perturbazioni da un sotto-sistema all’altro, e consente inoltre agli users di modificare i sistemi di controllo. Questo modello è stato costruito come parte del progetto di ricerca TANDEM, finanziato da EC-Euratom, con il fine di essere connesso con i modelli di altre tecnologie in cogenerazione, che possono essere trovati nella biblioteca open-source di TANDEM. I modelli sono stati tutti realizzati utilizzando il linguaggio di programmazione object-oriented e a-casuale Modelica e, grazie alla flessibilità di questo linguaggio, possono essere assemblati a seconda delle necessità in strutture sempre più complesse. La risposta dell’NSSS a transitori di potenza è dunque analizzata con analisi di benchmark con diverse biblioteche in Modelica, al fine di fornire un’analisi completa del comportamento del sistema, e lasciare all’utente la scelta su quale libreria sia più adatta alle sue esigenze. Il modello del pressurizzatore, che è uno dei componenti essenziali per il funzionamento del reattore, è validato separatamente, e i risultati sono poi confrontati con altri modelli matematici nonché dati sperimentali. Questo modello, unito agli altri modelli inclusi nella libreria TANDEM, costituisce un prezioso strumento per lo studio tecno-economico dei sistemi energetici ibridi nel mercato energetico europeo e per l'analisi di fattibilità e operatività, come parte degli sforzi in corso per raggiungere la neutralità carbonica nel continente entro il 2050.