Numerical Analysis of Ex-core Xenon Removal from Molten Salt Reactor Fuel with a multicomponent volume-of-fluid solver

Molten Salt Reactors (MSRs) are a promising Generation IV concept in terms of sustainability and operational safety. However, circulating liquid fuel introduces challenges related to fission-product accumulation in the core, with possible consequences for neutronic stability, fuel chemistry and structural material lifetime. For this reason, strategies for stripping fission products from the fuel salt are of interest, and numerical tools are needed to evaluate their performance. This work presents a preliminary computational fluid dynamics (CFD) analysis of ex-core gaseous fission product (GFP) removal from MSR fuel. It focuses on mass transfer at the liquid-gas interface in droplet and bubble configurations, using the OpenFOAM Volume-of-Fluid solver icoReactingMultiphaseInterFoam as a baseline. The solver is adapted to handle diffusive multicomponent phases and species transfer controlled by interfacial equilibrium. Gaseous fission products have low solubility in molten salt, which promotes a migration toward external gas phases. This property can be exploited to strip volatile GFPs from the circulating fuel without complex chemical separation systems. Choosing Xenon-135 as a representative gaseous fission product, a mass-transfer model based on diffusive transport and interfacial equilibrium is implemented and verified against an analytical solution. The model is then applied to ex-core removal systems based on dispersed-flow setups. A molten-salt droplet surrounded by helium gas is simulated, and the impact of mesh refinement, Sherwood number and molecular diffusivity on xenon transfer is analysed. Then, a helium bubble rising in a liquid fuel pool is simulated. This case is compared to the droplet configuration and extended to a sequence of bubbles to evaluate the effect of repeated gas passage. Finally, the impact of bubble diameter in the single-bubble case is analysed. The results highlight the role of interfacial area, characteristic length scale and transport parameters on xenon removal performance, supporting the preliminary assessment of ex-core GFP stripping configurations.

I Reattori a Sali Fusi (MSR) rappresentano un concetto di IV Generazione promettente in termini di sostenibilità e sicurezza operativa. Tuttavia, il combustibile liquido in circolo introduce sfide legate all’accumulo di prodotti di fissione nel nocciolo, con possibili conseguenze sulla stabilità neutronica, sulla chimica del combustibile e sulla vita utile dei materiali strutturali. Per questo motivo, le strategie per la rimozione dei prodotti di fissione dal combustibile sono di interesse e sono necessari strumenti numerici per valutarne le prestazioni. Questo lavoro presenta un’analisi preliminare di fluidodinamica computazionale (CFD) della rimozione fuori dal nocciolo dei prodotti di fissione gassosi (GFP) dal combustibile MSR. L’analisi si concentra sul trasferimento di massa all’interfaccia tra liquido e gas in configurazioni a gocce e bolle, utilizzando il risolutore di OpenFOAM icoReactingMultiphaseInterFoam, basato sul metodo Volume of Fluid, come base di partenza. Il risolutore è adattato per trattare fasi multicomponente con diffusione e il trasferimento di specie controllato dall’equilibrio all’interfaccia. Tra i prodotti di fissione gassosi, alcuni presentano una bassa solubilità nei sali fusi, che promuove la loro migrazione verso fasi gassose esterne. Questa proprietà può essere sfruttata per rimuovere i GFP volatili dal combustibile in circolo tramite contatto con una fase gassosa, senza complessi sistemi di separazione chimica. Scegliendo lo xeno-135 come prodotto di fissione gassoso rappresentativo, viene implementato un modello di trasferimento di massa basato sul trasporto diffusivo e sull’equilibrio all’interfaccia, e verificato rispetto a una soluzione analitica. Il modello viene poi applicato a sistemi di rimozione fuori dal nocciolo basati su configurazioni a flusso disperso. Viene simulata una goccia di sale fuso circondata da elio, e viene analizzato l’impatto del raffinamento della griglia, del numero di Sherwood e della diffusività molecolare sul trasferimento dello xeno. Successivamente, viene simulata una bolla di elio in risalita in una vasca di combustibile liquido. Questo caso viene confrontato con la configurazione a goccia ed esteso a una sequenza di bolle per valutare l’effetto dei ripetuti passaggi di gas. Infine, viene analizzato l’impatto del diametro della bolla nel caso di bolla singola. I risultati evidenziano il ruolo dell’area interfacciale, della scala di lunghezza caratteristica e dei parametri di trasporto sulle prestazioni di rimozione dello xeno, supportando la valutazione preliminare di configurazioni fuori dal nocciolo per la rimozione dei GFP.