Investigation of the dynamic behaviour and of control issues of circulating fuel reactors

The present PhD thesis is aimed at analysing the dynamic characteristics of nuclear reactors operating with circulating fuel (CFRs – Circulating Fuel Reactors) through the investigation of their stability properties, their transient behaviour and a preliminary evaluation of some control issues, focusing in particular on Molten Salt Reactors (MSR). MSRs meet many of the future goals of nuclear energy, in particular for what concerns an improved sustainability, an inherent safety, and unique characteristics in terms of actinide burning and waste reduction, while benefiting from the past experience acquired mainly at the Oak Ridge National Laboratory (ORNL) with the molten salt technology. Considering the wide variety of developed MSR concepts, three case studies have been investigated in this thesis, namely: the Molten Salt Reactor Experiment (MSRE), the Molten Salt Breeder Reactor (MSBR), and the Molten Salt Fast Reactor (MSFR). The first was adopted because of the availability of both a detailed design and experimental data, useful for the assessment of the models developed in the thesis. The MSBR was considered as representative of large-size plant adopting the molten salt technology with a thermal-neutron spectrum, whereas the MSFR was adopted as representative of MSRs with fast-neutron spectrum, also thanks to the role played in the frame of the Generation IV initiative. CFRs pose a challenge from the perspective of mathematical and numerical schemes for simulation, because of their unconventional design, characterised by the presence of a liquid fuel that circulates in the primary circuit acting simultaneously as primary coolant. This feature leads to a very complex and highly coupled dynamic behaviour, which requires a careful investigation, as a consequence of some unusual characteristics, like the drift and the decay of delayed neutron precursors in the out-of-core part of the primary circuit and the phenomena involving heat transfer with internally heated fluid. In this thesis, classical tools usually adopted for dynamics and control analysis of conventional nuclear reactor (e.g., inhour equation, Nyquist and Bode stability criteria, simplified non-linear models based on zero- or one- dimensional approaches, Relative Gain Array analysis) have been applied to the investigation of the above mentioned systems operating with circulating fuel. An innovative approach based on Multi-Physics Modelling (MPM) has been developed as well, allowing for important breakthroughs in the dynamic analyses. Thanks to the capability of solving the partial differential equations that govern the system behaviour, by managing simultaneously the different physical quantities involved without requiring the interface of dedicated codes, the MPM approach stands as a natural environment of simulation for complex systems, like CFRs, where coupled physical phenomena tightly interact.

La tesi ha come obiettivo l’analisi della dinamica dei reattori nucleari a combustibile circolante, considerando in particolare i reattori a sali fusi, attraverso la valutazione della stabilità del reattore, del comportamento dinamico e l’analisi preliminare di alcuni aspetti relativi al controllo. Nella tesi vengono analizzati tre reattori a sali fusi: il Molten Salt Reactor Experiment (MSRE), il Molten Salt Breeder Reactor (MSBR) e il Molten Salt Fast Reactor (MSFR). L’MSRE è stato scelto per la disponibilità di dati di progetto e sperimentali, che hanno permesso la validazione dei modelli numerici sviluppati nella tesi. L’MSBR e l’MSFR sono stati adottati come sistemi rappresentativi di reattori a sali fusi di taglia elevata, il primo con spettro neutronico termico e il secondo con spettro neutronico veloce, quest’ultimo in virtù della sua importanza nell’ambito della attività di ricerca e sviluppo attualmente condotte dal Generation IV International Forum. A causa del loro design non convenzionale, caratterizzato dalla presenza di un combustibile liquido che svolge anche la funzione di termovettore, lo studio del comportamento dinamico dei reattori a combustibile circolante richiede lo sviluppo di modelli matematici e numerici dedicati. Tali modelli devono essere in grado di tenere in considerazione particolari fenomeni che caratterizzano questa tipologia di reattori, come il trasporto dei precursori responsabili dell’emissione di neutroni ritardati nella parte esterna al nocciolo del circuito primario e fenomeni di scambio termico con un fluido con generazione interna di potenza. Nella tesi, strumenti comunemente applicati alle analisi di dinamica e controllo di reattori nucleari convenzionali (come ad esempio l’equazione inhour, i criteri di stabilità lineare di Nyquist e di Bode, modelli numerici non lineari zero- o mono-dimensionali, tecniche basate sull’analisi della matrice dei guadagni relativi di sistemi multi-input multi-output) sono stati utilizzati per lo studio dei tre reattori sopramenzionati. Al fine di permettere un miglioramento nella valutazione della dinamica di questi sistemi, nella tesi è stato inoltre sviluppato un approccio innovativo di tipo multi-fisico, che permette di risolvere le equazioni alle derivate parziali che governano il comportamento dinamico del reattore in un ambiente di simulazione unificato, senza richiedere la modifica di codici numerici dedicati all’analisi di singoli fenomeni fisici.