Object-oriented dynamic modeling and simulation of the MSRE primary circuit

The Molten Salt Reactor (MSR), which was designated as one of the six Generation IV reactor types by the Generation IV International Forum (GIF), is currently attracting significant global attention. The MSR is unique among the Gen-IV designs due to its application of liquid fuels, a feature that fundamentally eliminates the possibility of a core melting accident. Furthermore, the low operating pressure of the reactor not only translates to a lower risk of explosion and radioactive leakage but also means that the reactor vessel and components can be lightweight, thereby lowering equipment costs. The purpose of the present thesis work is the development of an object-oriented simulation in free dynamics and its validation, through the modeling language Modelica. In addition, the exploited scenarios also refer to accident conditions, where a malfunction in the primary loop is present. The scenarios involve a primary pump failure, leading to a reduced mass flow within the circuit and involve a reactivity insertion accident, where an injection of dense, colder fluid fuel is occurring in the reactor core. To do so, as a reference, operational parameters and geometries of the Molten Salt Reactor Experiment (MSRE) were taken into account, due to the high availability of experimental data. In these chapters, after a brief introduction to energy sustainability and an overall description of the MSRE, the single models describing the primary fuel circuit components are treated and their deployment towards successful safety scenarios. Thanks to the work performed in this thesis, it is possible to have a solid base for further technical evaluations. For future developments, it is also worth referring to Nuclear Hybrid Energy Systems (NHES), where electrical energy and heat sources can be exploited simultaneously. On this basis, the preliminary analysis of the primary circuit done in this work, might be referred to as a starting point.

Il Reattore a Sali Fusi (MSR), che è stato designato come uno dei sei tipi di reattori di Quarta Generazione dal Forum Internazionale di Generazione IV (GIF), sta attualmente attirando significativa attenzione globale. L'MSR è unico tra i design Gen-IV grazie all'applicazione di combustibili liquidi, una caratteristica che elimina fondamentalmente la possibilità di un incidente di fusione del nocciolo. Inoltre, la bassa pressione operativa del reattore non solo si traduce in un minor rischio di esplosione e di fuga radioattiva, ma significa anche che il recipiente del reattore e i componenti possono essere più leggeri, riducendo così i costi dei componenti. Lo scopo del presente lavoro di tesi è lo sviluppo di una simulazione orientata agli oggetti in dinamica libera e la sua validazione, attraverso il linguaggio di modellazione Modelica. In aggiunta, gli scenari indagati si riferiscono a condizioni incidentali, dove è presente un malfunzionamento nel circuito primario. Tali scenari coinvolgono un guasto della pompa del circuito primario, che porta ad una ridotta portata del sale combustibile all'interno del circuito, e coinvolgono un incidente di inserzione di reattività, dove un'iniezione di combustibile liquido, denso e più freddo si verifica nel nocciolo del reattore. A tal fine, come riferimento, sono stati presi in considerazione i parametri operativi e le geometrie del Molten Salt Reactor Experiment (MSRE), per via dell'elevata disponibilità di dati sperimentali. In questi capitoli, dopo una breve introduzione alla sostenibilità energetica e una descrizione generale del MSRE, vengono trattati i singoli modelli che descrivono i componenti del circuito primario del combustibile e il loro dispiegamento verso scenari di sicurezza di successo. Grazie al lavoro eseguito in questa tesi, è possibile avere una base solida per ulteriori valutazioni tecniche. Per sviluppi futuri, è anche opportuno fare riferimento ai sistemi ibridi (NHES), dove energia elettrica e calore possono essere sfruttati simultaneamente. Su questa base, l'analisi preliminare del circuito primario fatta in questo lavoro potrebbe essere considerata come un punto di partenza.