Comparison of full-electric and absorption-based cooling solutions in nuclear plants dedicated to power and cooling for civil and industrial applications

The increasing demand for space cooling in hot climates, together with the need to reduce carbon emissions, encourages the exploration of alternative energy solutions. This thesis investigates the integration of a 250 MWth integral Small Modular Reactor (SMR), based on the NuScale design, with a large-scale District Cooling network. A thermodynamic simulation framework was developed in Python to model three distinct plant layouts: a conventional nuclear secondary cycle driving Vapor Compression Refrigeration Systems (Reference Case), a "Back-Pressure" cogeneration cycle, and a flexible Steam Extraction configuration. The last two architectures utilized Absorption Refrigeration Technologies. The models perform energy and exergy analysis and include a non-linear optimization algorithm to identify the ideal turbine extraction pressures that maximize the net electrical power delivered to the grid. In addition to the nominal design conditions, a year-long off-design parametric study was implemented using daily weather data from Abu Dhabi for 2025, and thus allowing the assessment of system performance under extreme ambient temperatures. The results show that thermally-driven cogeneration can provide large cooling capacities with a net electrical output comparable to the conventional configuration. Moreover, absorption chillers exhibit greater stability under high condenser temperatures, while vapor compression systems experience significant efficiency degradation during summer peaks. Overall, the study demonstrates the thermodynamic feasibility of nuclear-driven district cooling, especially in hot climates, and highlights the trade-offs between electrical generation and thermal energy utilization.

L’aumentodelladomandadiraffreddamentoinluoghicaratterizzatidaclimicaldi, insieme alla necessità di ridurre le emissioni di carbonio, spinge verso l’esplorazione di soluzioni energetiche alternative. Questa tesi analizza l’integrazione di uno Small Modular Reactor (SMR) integrale da 250 MWth, basato sul design NuScale, con una rete di District Cooling su larga scala. Un modello di simulazione termodinamica è stato sviluppato in Python per rappresentare tre diverse configurazioni di impianto: un ciclo secondario nucleare convenzionale accoppiato a sistemi di refrigerazione a compressione di vapore (Caso di Riferimento), una configurazione di cogenerazione con turbina in contropressione (“Back-Pressure”) e una configurazione con spillamenti intermedi di vapore (“Steam Extraction”). Le ultime due strutture utilizzano tecnologie di raffreddamento ad Assorbimento I modelli eseguono analisi energetiche ed exergetiche e includono un algoritmo di ottimizzazione non lineare per individuare le pressioni di spillamento della turbina che massimizzano la potenza elettrica netta immessa nella rete. Oltre alle condizioni nominali di progetto, è stata condotta un’analisi off-design su base annuale utilizzando i dati meteorologici giornalieri di Abu Dhabi per il 2025, al fine di valutare il comportamento del sistema in presenza di temperature ambientali estreme. I risultati mostrano che la cogenerazione basata sulla potenza termica può fornire elevate potenze frigorifere mantenendo una produzione elettrica netta comparabile a quella del Caso di Riferimento. Inoltre, i chillers ad assorbimento mostrano una maggiore stabilità ad alte temperature, mentre i sistemi a compressione di vapore subiscono una significativa riduzione di efficienza durante i picchi estivi. Nel complesso, lo studio dimostra la fattibilità termodinamica del district cooling alimentato da energia nucleare, specialmente in regioni calde, e mette in evidenza il compromesso tra produzione elettrica e utilizzo dell’energia termica.