Numerical simulation of a potassium heat pipe for nuclear applications

Liquid metal heat pipes are currently being investigated worldwide as primary cooling system for two new classes of nuclear reactors: small modular reactors and micro modular reactors. In this context, the adoption of additive manufacturing technologies for producing heat pipes opens new design possibilities. In this study, a numerical model to aid the design optimization process was developed with the the finite element analysis software COMSOL Multiphysics. The scope of the research consists of understanding how a variation in the main heat pipe parameters impacts the overall heat pipe performance. Two types of heat pipes were investigated: homogeneous porous wicked and composite wicked with porous medium and annular liquid gap. The model was validated with the mesh independence test and by comparing its results to experimental results taken both from scientific literature and from experiments performed at the research institute where this thesis was written; the result is that the accuracy of the model was proven to be within engineering margins. Several sensitivity analysis on key heat pipe parameters were performed. It was therefore concluded that the parameter that has the biggest impact on the heat pipe equivalent thermal resistance is the vapor channel diameter. An increase in the vapor channel diameter was obtained by reducing the wall and the porous wick radial thicknesses. Porosity and permeability of the wick showed only a minor impact on steady state performance but had a strong influence on the capillary limit; a high value of permeability by effective pore radius ratio is needed to achieve a high maximum transferrable thermal power. The capillary limit was also positively impacted by a significant margin with the adoption of the composite wick. Moreover, the results of this master thesis highlight the fact that a numerical model is an effective and relatively simple tool to perform preliminary heat pipe design operations.

Le heat pipe a metallo liquido sono attualmente oggetto di indagine in tutto il mondo come sistema di raffreddamento primario per due nuove classi di reattori nucleari: small modular reactors e micro modular reactors. In questo contesto, l'adozione di tecnologie di additive manufacturing per la produzione di heat pipe apre nuove possibilità di progettazione. In questo studio, è stato sviluppato un modello numerico per supportare il processo di ottimizzazione del design con il software di analisi agli elementi finiti COMSOL Multiphysics. Lo scopo della ricerca consiste nel comprendere come una variazione dei principali parametri della heat pipe influenzi le prestazioni complessive della stessa. Sono state investigate due tipologie di heat pipe: con wick poroso omogeneo e con wick composito costituito da mezzo poroso e intercapedine liquida anulare. Il modello è stato validato tramite il test di indipendenza della mesh e confrontando i suoi risultati con dati sperimentali tratti sia dalla letteratura scientifica che da esperimenti condotti presso l'istituto di ricerca dove è stata redatta questa tesi; il risultato è che l'accuratezza del modello si è dimostrata entro i margini ingegneristici. Sono state eseguite diverse analisi di sensibilità sui parametri chiave della heat pipe. Si è quindi concluso che il parametro che ha il maggiore impatto sulla resistenza termica equivalente della heat pipe è il diametro del canale del vapore. Un aumento del diametro del canale del vapore è stato ottenuto riducendo gli spessori radiali della parete e del wick poroso. La porosità e la permeabilità del wick hanno mostrato solo un impatto minore sulle prestazioni a stato stazionario, ma hanno avuto una forte influenza sul capillary limit; un alto valore del rapporto tra permeabilità e effective pore radius è necessario per raggiungere un'elevata potenza termica massima scambiabile. Il capillary limit è stato inoltre fortemente positivamente influenzato dall'adozione del wick composito. Inoltre, i risultati di questa tesi magistrale evidenziano il fatto che un modello numerico è uno strumento efficace e relativamente semplice per eseguire operazioni preliminari di progettazione di heat pipe.