Study on the blockage of a fuel channel in a molten salt reactor

The blockage of a fuel channel is one of the postulated accidental cases studied in the preliminary safety assessment of Generation IV reactors. In this paper this scenario will be analysed for a molten salt graphite moderated reactor based on the Molten Salt Breeder Reactor. In this type of reactor the liquid fuel flows through the core in a series of channels drilled in graphite blocks. The heat produced by fission is then transported by the salt and exchanged with the secondary loop. The blockage of one of the core channels, which can be caused by a solid fragment, forces a restriction in the flow which leads to an increase in the salt temperature. This restriction results in part of the fission power produced in the channel to be conducted through the surrounding graphite block. In the case of a complete blockage the stagnant salt develops high radial thermal gradients which cause flow circulation due to buoyancy effects, adding natural convection to the heat exchange. The natural circulation that develops is fundamental for removing the fission heat from the salt due to its poor conductive properties. One of the risks linked to such a temperature increase is reaching the salt boiling point. The scope of this work is to study the complete blockage of a fuel channel, to asses if it can cause any risk to the reactor and to find the best simulation method to describe it. The blockage of the channel has been simulated for a range of fission power densities using the CFD toolbox OpenFOAM and two approaches for turbulence: RANS and LES. The results indicate that the boiling point is not reached for the considered power density range. The two methods produced different results which have been compared. The RANS modelling approach was found to overestimate the maximum temperatures due to poor turbulence prediction, while LES gave a more realistic depiction of the effects of turbulence on the total heat exchange. This difference between the results from the two approaches was found to worsen increasing the fission power density. Moreover a correlation between the fission power and the temperature increase has also been proposed.

Nei reattori di quarta generazione a combustibile liquido uno dei casi postulati che vengono studiati nelle fasi preliminari è l’ostruzione di uno dei canali nel nocciolo. In questo articolo è stato analizzato lo scenario in cui in un reattore a sali fusi moderato a grafite (tipo MSBR) uno di questi canali viene ostruito da un frammento solido. In questo tipo di reattore il nocciolo è composto da blocchi di grafite forati in cui scorre il sale contenente combustibile. Il sale si scalda per fissione e cede il calore acquisito a un circuito secondario. Nel caso in cui un frammento ostruisca un canale il flusso di sale è notevolmente ridotto fino ad arrestarsi in caso di blocco completo. Questa riduzione nel flusso impedisce il corretto raffreddamento del nocciolo. Il calore generato da fissione viene evacuato parzialmente per conduzione attraverso il blocco di grafite. Nel caso di ostruzione completa il sale ristagna con conseguente aumento di temperatura. Il gradiente di temperatura che si forma radialmente nel canale causa l’istaurarsi di un moto convettivo. Il sale al centro del canale, essendo più caldo, comincia a salire, mentre il sale a contatto con la parete resta più freddo e scende. Questo moto convettivo è di fondamentale importanza al fine di dissipare il calore generato per fissione, in quanto il sale ha scarse proprietà conduttive. All’equilibrio termico il centro del canale raggiunge la massima temperatura. Uno dei rischi collegati a questo aumento di temperatura è la possibilità di raggiungere il punto di ebollizione del sale. L’ostruzione completa del canale è stata simulata per vari livelli di potenza tramite il toolbox di fluidodinamica computazionale OpenFOAM. Per la turbolenza causata dal moto convettivo sono stati utilizzati due differenti modelli matematici: RANS e LES. I due metodi producono risultati molto differenti, in particolare il modello RANS sovrastima le temperature massime a causa di una scarsa capacità di predire l’intensità della turbolenza. Il modello LES invece produce risultati più realistici e descrive in modo più soddisfacente l’influenza della turbolenza sullo scambio termico. Dalle simulazioni risulta che per nessuno dei livelli di potenza in questione viene raggiunto il punto di ebollizione del sale. E stata inoltre proposta una correlazione tra la potenza depositata e l’aumento di temperatura nel canale.