Thermal– hydraulic analysis and multi-scale modelling of passive safety systems for Small Modular Reactors: focus on compact heat exchangers and natural circulation phenomena

Small Modular Reactors (SMRs) are emerging as a promising nuclear technology, but their large-scale deployment is hindered by critical technical gaps in passive safety systems and compact heat exchangers. Reliable modeling of single- and two-phase natural circulation, accurate prediction of boiling in compact geometries, and the availability of high-quality experimental data remain insufficient to support licensing and design standardization. This dissertation addresses these deficiencies by combining experimental facility design, system-code validation, high-fidelity CFD modeling, and dedicated tool development. First, the work advances the understanding of natural-circulation behavior through the modeling and validation of the ELSMOR and DYNASTY facilities. RELAP5 models are developed for both single and coupled natural-circulation loops, providing insights into global stability, loop interaction, and the performance of passive components such as compact steam generators. Second, the thesis tackles fundamental gaps in two-phase heat transfer for compact heat exchangers. A new experimental facility (CHEF) is designed to generate boiling datasets in compact geometries under controlled conditions representative of SMR secondary-side operation, with an experimental roadmap intended to progressively extend the operating envelope toward reactor-relevant pressures and temperatures. The facility design is supported by a dynamic Modelica model for component sizing and test matrix formulation. In parallel, dedicated CFD models based on the Eulerian multiphase framework are developed to investigate bubble dynamics, flow-regime transitions, and liquid-film formation in minichannels, key mechanisms that govern pressure drop and thermal performance. A practical design tool, SizerHX, is created and verified against RELAP5 and STAR-CCM+ to support industrial and academic compact heat exchanger sizing. Finally, a preliminary scaling analysis is performed to assess the feasibility of a future integral SMR test facility, addressing the current absence of publicly accessible integral effect test facility.

I reattori modulari di piccola taglia (SMR) stanno emergendo come una tecnologia nucleare promettente, ma la loro diffusione su larga scala è ostacolata da criticità tecniche nei sistemi di sicurezza passivi e negli scambiatori di calore compatti. La modellazione affidabile della circolazione naturale in mono e bifase, la previsione accurata dell'ebollizione in geometrie compatte e la disponibilità di dati sperimentali di alta qualità risultano ancora insufficienti per supportare processi di licensing e standardizzazione progettuale. Questa dissertazione affronta tali carenze attraverso la combinazione di progettazione di impianti sperimentali, validazione di codici di sistema, modellazione CFD ad alta fedeltà e sviluppo di strumenti dedicati. In primo luogo, il lavoro avanza la comprensione del comportamento della circolazione naturale tramite la modellazione e validazione delle facility ELSMOR e DYNASTY. Vengono sviluppati modelli RELAP5 per loop di circolazione naturale singoli e accoppiati, fornendo indicazioni sulla stabilità globale, sull'interazione tra i circuiti e sulle prestazioni di componenti passivi quali i generatori di vapore compatti. In secondo luogo, la tesi affronta lacune fondamentali nel trasferimento di calore bifase negli scambiatori compatti. La nuova facility sperimentale CHEF è progettata per generare database di ebollizione in geometrie compatte in condizioni controllate rappresentative del funzionamento del secondario di un SMR, secondo una roadmap sperimentale pensata per estendere progressivamente l’inviluppo operativo verso pressioni e temperature pienamente reactor-relevant. La progettazione è supportata da un modello dinamico in Modelica per il dimensionamento dei componenti e la definizione della matrice di prova. Parallelamente, vengono sviluppati modelli CFD dedicati basati sul framework Euleriano multifase per investigare la dinamica delle bolle, le transizioni di regime e la formazione del film liquido nei minicanali, meccanismi chiave che governano le perdite di carico e le prestazioni termiche. Inoltre, viene sviluppato uno strumento pratico di progettazione, SizerHX, verificato tramite RELAP5 e STAR-CCM+ per supportare il dimensionamento industriale e accademico di scambiatori compatti. Infine, viene condotta un'analisi preliminare di scaling per valutare la fattibilità di una futura facility integrale per SMR, colmando l'attuale assenza di un impianto sperimentale integrale ad accesso pubblico.