Sodium Fast Reactor Core Design

In this thesis work the design of a Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) will be presented. This reactor technology has been selected by the Generation IV International Forum (GIF) as one of the most promising and recognized to accomplish Gen IV reactors objectives. Plans are to have this technology commercialized starting from 2030. The biggest challenge of this work lies in combining the rotating drum’s technology for reactivity control, with the thermal power in the range of a Small Modular Reactor (SMR) and a long fuel lifetime. To achieve so, two neutronics software will be used, one deterministic (ERANOS) and one stochastic (SERPENT). The development of the design will be structured in two main parts: the first one aims to design the fissile zone, which must be capable of providing positive reac- tivity throughout its permanence in the core, the second one focuses on designing the "outer zone", where rotating drums will be placed, which must be capable of balancing out fuel reactivity throughout its evolution in time. Afterwards, a full core design that meets all the key thesis objectives will be proposed. In addition, several other studies will be performed in this work to make improvements and to give the reader more information on extra designing features. Different fuel as- sembly designs will be proposed, the definition of a proper safety reactivity control assembly will be addressed, a full reactor model (primary circuit) will be defined to make DPA calculation in some of the most critical areas according to neutron flux intensity, Doppler and Sodium Void effects will be also studied and solutions to make the latter negative will be proposed. Future work extensions will aim to refine the SMR core design through more detailed calculations and to develop mock-ups for experimental validation.

In questo lavoro di tesi verrà presentato il design di un core di un "Sodium Fast Reactor" (SFR). Questa tecnologia è stata selezionata dal Generation IV International Forum (GIF) come una delle più promettenti e riconosciute per raggiungere gli obiettivi dei reattori Gen IV. I piani prevedono di commercializzare questa tecnologia a partire dal 2030. La sfida principale di questo lavoro consiste nel combinare la tecnologia dei tamburi rotanti per il controllo della reattività, con la potenza termica nel range di uno "Small Modular Reactor" (SMR) e una lunga permanenza del combustibile nel reattore. Per farlo, verranno utilizzati due software di calcolo neu- tronico, uno deterministico (ERANOS) e uno stocastico (SERPENT). Lo sviluppo del progetto sarà strutturato in due parti principali: la prima mira a progettare la zona fissile, che deve essere in grado di fornire una reattività positiva per tutto il suo permanere nel core, mentre la seconda si concentra sulla progettazione della "outer zone", dove saranno posizionati i tamburi rotanti, i quali devono essere in grado di bilanciare la reattività del combustibile nel corso del tempo. Successivamente, verrà proposto un progetto completo del core, che soddisferà tutti gli obiettivi chiave della tesi. Inoltre, in questo lavoro verranno condotti diversi altri studi per apportare miglioramenti e fornire al lettore ulteriori informazioni su caratteristiche di progettazione aggiuntive. Saranno proposte diverse varianti di assemblaggio del combustibile, il design di un assemblaggio di controllo della reattività di sicurezza verrà proposto, verrà definito un modello completo del reattore (circuito primario) per calcolare DPA in alcune delle aree più critiche in base all’intensità del flusso neutronico, verranno studiati gli effetti Doppler e di vuoto del sodio e saranno proposte soluzioni per rendere quest’ultimo negativo. Delle estensioni del lavoro in futuro mireranno a perfezionare la progettazione del core dell’SMR attraverso calcoli più dettagliati e a sviluppare modelli per la validazione sperimentale.