The molten salt fast reactor as a fast spectrum candidate for thorium implementation

The thesis work investigates the Molten Salt Fast Reactor (MSFR) technology as a possible route to combine the potential advantages of thorium use in Fast Reactors (FR) with the fuel cycle advantages fostered by a liquid fuel. The MSFR emerges as a promising reactor for its capability to operate as a flexible conversion ratio reactor. It shows good performances as U-233 breeder, though uncertainties exist on the U-233 capture cross-section in the neutron energy range of interest for the MSFR. Operation as a self-sustaining reactor fosters low consumption of natural resources, very limited waste generation, and simplified fuel management thanks to the liquid fuel. The MSFR also shows promising features in terms of radioactive waste transmutation thanks to the liquid fuel, the high specific power and the relatively hard spectrum. Safety aspects are investigated through analysis of the reactor safety parameters, and via prediction of the new reactor steady-state after accidental transient initiators. The MSFR inherent safety appears comparable to that of traditional FRs, especially considering its capability to withstand all major double-fault accidents. In addition, the MSFR presents only negative reactivity feedback coefficients, which is a unique feature among fast-spectrum reactors. The system thermal-hydraulics is also investigated in view of the internal heat generation in the working fluid. A correlation is proposed and application to the MSFR allows to exclude major impacts of decay heat on the MSFR out-of-core components, with a note of caution on the design of channels with low velocities and/or large diameters. In addition, a multi-physics model is developed to investigate the thermal-hydraulic behavior of the core, showing some points of enhancement needed in the current MSFR conceptual design. The same model is employed for investigating the reactor transient response to major accidental events, confirming the MSFR promising safety features pointed out with simpler approaches, but suggesting also possible problems related to the quick fuel temperature rise in case of a loss of heat sink.

La tesi di focalizza sul reattore veloce a sali fusi (MSFR – Molten Salt Fast Reactor), un sistema in grado di combinare le potenzialità del ciclo a torio nei reattori a spettro neutronico veloce con i vantaggi derivanti dall'utilizzo di un combustibile liquido. In primo luogo, viene dimostrata la possibilità di utilizzare il MSFR con economia neutronica variabile. Il reattore mostra notevoli capacità per la produzione di U-233. Esiste inoltre la possibilità di utilizzare il MSFR come reattore autofertilizzante a torio, ma evitando la produzione di materiale fissile ulteriore rispetto a quello necessario per il funzionamento del reattore stesso. In questo caso, il MSFR si caratterizza per il ridotto utilizzo di risorse naturali e per una bassa generazione di rifiuti radioattivi a vita lunga. Infine, il MSFR può essere utilizzato per bruciare rifiuti radioattivi con tassi di bruciamento comparabili con quelli tipici dei reattori veloci tradizionali a combustibile solido, ma con notevoli vantaggi in termini di gestione del combustibile grazie alla sua forma liquida. La sicurezza del reattore è dimostrata tramite il calcolo dei suoi coefficienti di retroazione e tramite l’analisi dei principali transitori incidentali. La termo-idraulica del sistema viene analizzata in dettaglio in quanto caratterizzata dalla produzione volumetrica di potenza nel fluido termovettore. Analisi agli elementi finiti mettono in luce la necessità di ottimizzare la geometria del nocciolo per evitare zone di ristagno del combustibile. Per quanto riguardo i componenti del circuito primario esterni al nocciolo, nella tesi si propone una correlazione di scambio termico per fluidi internamente scaldati in moto turbolento, mostrando che l’impatto della potenza di decadimento risulta essere generalmente trascurabile.