Development and validation of a conduction model for startup of alkali-metal heat pipes

In this thesis, heat pipes, widely used in space nuclear reactors for passive cooling and high heat transport, are studied in the context of lunar surface applications. This study is, in fact, part of a broader research activity at Politecnico di Milano, aimed at the design of a heat-pipe–cooled nuclear reactor for lunar habitats. This thesis focuses on developing a conduction-based model to simulate the thermal behavior of alkali-metal heat pipes during frozen startup. Alkali metals like sodium and potassium are ideal for high-temperature heat pipes and space applications. A key aspect of the model is the derivation of an effective thermal conductivity for the vapor phase, enabling a simplified treatment of heat transfer using only the conduction equation while capturing the phase change of the working fluid in the wick. Temperature-dependent thermophysical properties are explicitly considered. The model was developed and numerically solved in OpenModelica. Validation is performed against experimental temperature data from literature during frozen startup with sodium, and subsequently with potassium. Validation is then extended using steady-state experimental data for both fluids. The results show the model reproduces temperature profiles of alkali-metal heat pipes, while indicating slight deviations due to modeling assumptions and other influencing factors.

In questa tesi, le heat pipe, ampiamente utilizzate nei reattori nucleari spaziali per il raffreddamento passivo e l’elevato trasferimento di calore, sono studiate nel contesto delle applicazioni sulla superficie lunare. Questo studio, infatti, fa parte di una più ampia attività di ricerca al Politecnico di Milano, volta alla progettazione di un reattore nucleare raffreddato a heat pipe per habitat lunari. Questa tesi si focalizza sullo sviluppo di un modello basato sulla conduzione per simulare il comportamento termico delle heat pipe a metalli alcalini durante l’avviamento a freddo. Metalli alcalini come sodio e potassio sono ideali per heat pipe ad alta temperatura e applicazioni spaziali. Un aspetto chiave del modello teorico è la derivazione di una conducibilità termica efficace per la fase vapore, permettendo un trattamento semplificato del trasferimento di calore utilizzando solo l’equazione di conduzione, pur considerando il cambiamento di fase del fluido di lavoro nel wick. Le proprietà termofisiche dipendenti dalla temperatura sono considerate esplicitamente. Il modello è stato sviluppato e risolto numericamente in OpenModelica. La validazione del modello è stata effettuata usando i dati sperimentali delle temperature presenti in letteratura durante l’avviamento a freddo con sodio, e successivamente con potassio. La validazione è poi stata estesa ai dati sperimentali in regime stazionario per entrambi i fluidi. I risultati mostrano che il modello riproduce adeguatamente i profili di temperatura delle heat pipe a metalli alcalini, evidenziando lievi discrepanze dovute alle assunzioni del modello e ad altri fattori influenti.