Dynamic modelling and simulation of High-Temperature Gas Reactors for cogeneration and hybrid energy systems applications

Climate change, driven by record-high energy-related emissions, highlights the urgency for decarbonization across all sectors, particularly in energy-intensive industries. With heat demand projected to increase, especially in rapidly growing economies like China and India, the decarbonization of high-temperature industrial processes becomes imperative. High-Temperature Gas Reactors appear as a promising solution. The outstanding safety features, together with the high temperatures reached by the coolant, make them ideal for cogeneration purposes and integration into hybrid nuclear-renewable energy systems. Dynamic models are needed to assess how these systems perform in different scenarios and to ensure they satisfy several needs. To this end, pebble-bed and prismatic reactor models based on the HTR-PM and the HTTR designs were developed using the object-oriented Modelica language, exploiting its modularity, reusability and flexibility characteristics. The models address the heat transfer problem from TRISO particles to helium coolant both in pebble balls and fuel compacts, as well as the neutron kinetics and the thermal-hydraulic description of the cores. For the HTR-PM model, the primary circuit was closed with a detailed representation of the helical-coil steam generator. The assumptions undertaken in the modelling phase were rigorously verified through finite element simulations of the heat transfer in pebble balls, fuel compacts and core prisms using COMSOL Multiphysics. All the proposed models have been individually and collectively tested both in stationary and transient conditions, and the results were found to be consistent with the expected behaviour. Therefore, the reactor models developed in this work can be used and integrated in more complex and articulated energy systems or adapted and decoupled in single components to model new High-Temperature Gas Reactor designs.

Il cambiamento climatico, causato da emissioni in aumento specialmente nell'ambito dell'energia, evidenzia l'urgenza di decarbonizzare tutti i settori, in particolare le industrie energivore. Considerando che la domanda di calore è destinata ad aumentare, soprattutto nelle economie in rapida crescita come Cina e India, la decarbonizzazione dei processi industriali ad alta temperatura diviene indifferibile. I reattori a gas ad alta temperatura appaiono come una soluzione promettente. Le eccezionali caratteristiche di sicurezza, insieme alle elevate temperature raggiunte dal fluido termovettore, li rendono ideali per scopi di cogenerazione ed integrazione in sistemi energetici ibridi nucleare-rinnovabili. Per valutare il funzionamento di questi sistemi in diversi scenari e il soddisfacimento delle prestazioni richieste, è necessaria l'elaborazione di opportuni modelli dinamici. A tal fine, in questo lavoro sono stati sviluppati modelli di reattori di tipo pebble-bed e prismatico basati sui progetti dei reattori HTR-PM e HTTR, utilizzando il linguaggio orientato agli oggetti Modelica e sfruttando le sue caratteristiche di modularità, riusabilità e flessibilità. I modelli affrontano il problema della trasmissione del calore dalle particelle TRISO al refrigerante elio sia nelle sfere di combustibile che nei compatti, oltre alla cinetica del reattore e alla descrizione termoidraulica del nocciolo. Per il modello del reattore HTR-PM, il circuito primario è stato completato con una rappresentazione dettagliata del generatore di vapore elicoidale. Le ipotesi assunte nella fase di modellazione sono state rigorosamente verificate attraverso simulazioni agli elementi finiti dello scambio termico nelle sfere di combustibile, nei compatti e nei prismi utilizzando COMSOL Multiphysics. Tutti i modelli proposti sono stati testati individualmente e collettivamente sia in condizioni stazionarie che di transitorio, e i risultati sono apparsi coerenti con il comportamento previsto. Pertanto, i modelli di reattore sviluppati in questo lavoro possono essere utilizzati e integrati in sistemi energetici più complessi e articolati, o adattati e separati in singole componenti per modellare nuovi design di reattori a gas ad alta temperatura.