Development of a model based approach for studying the system dynamics and control of Gen-IV lead-cooled fast reactor

The Lead-cooled Fast Reactor (LFR) is one of the innovative systems envisaged by the Generation IV International Forum in order to provide sustainable, safe and proliferation resistant nuclear energy production. This reactor concept offers a great potential for plant simplifications and higher operating efficiencies, introducing at the same time safety concerns and technological constraints due to the use of lead as coolant. The subject of this thesis work is the development of an “integrated” methodological approach for the study of dynamics and the definition of suitable control strategies for LFRs, adopting ALFRED (Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator) as a reference reactor. First of all, the system stability features have been characterized. The root locus method has been adopted so as to demonstrate that no problems arise in plant operation even at reduced load factors. The system stability has been assessed through the calculation of the system eigenvalues and the corresponding trajectories in the Gauss plane. In order to properly characterize the ALFRED governing dynamics, an accurate simulator representing the overall power plant, and integrable with the control system model, has been developed by adopting the object-oriented Modelica language, specifically meant to the validation of the proposed control strategies. The preliminary outcomes of the dynamics simulations have been sustained by the RGA (Relative Gain Array) approach, which allows selecting the most efficient control action for each output variable. Once having finalized the control strategy, the control scheme based on feedforward-feedback regulators has been implemented. The control system architecture has been finalized by designing a procedure for the reactor start-up by means of the Petri net approach. By representing the system desired evolution through this logic-mathematical formalism, it has been possible to derive hints for the development of the control scheme, and hence to develop the supervisory control system that rules the operation of the modulating controllers and ensures achieving the power build-up. Finally, the possibility of connecting the ALFRED reactor to the electrical grid so as to perform load-frequency control has been studied. In the proposed strategy, the operation of the balance of plant has been decoupled from the primary circuit so as to meet the grid demands according to the time constants of the conventional part of the plant. As a major outcome of this work, the “integrated” methodological approach, developed for ALFRED in the thesis, reveals to be of more general interest for the Liquid Metal Fast Reactors.

Il reattore veloce raffreddato a piombo è uno dei sistemi innovativi previsti dal Generation IV International Forum allo scopo di garantire una produzione di energia nucleare sostenibile, sicura e resistente alla proliferazione. Tale reattore offre notevoli vantaggi per la semplificazione d’impianto, oltre a garantire elevate efficienze operative, introducendo però particolari vincoli tecnologici dovuti all'impiego del piombo come fluido termovettore. In quest’ottica, in questo lavoro di tesi è stato sviluppato un approccio metodologico “integrato” per lo studio della dinamica e lo sviluppo delle strategie di controllo per reattori raffreddati a piombo, adottando ALFRED (Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator) come impianto di riferimento. In primo luogo, è stata caratterizzata la stabilità del sistema mediante il luogo delle radici, allo scopo di verificare che non sorgano problemi nella gestione dell'impianto anche a carichi ridotti. In seguito, è stato sviluppato un simulatore dell’intero impianto, integrabile con il modello del sistema di controllo, adottando il linguaggio Modelica orientato agli oggetti, allo scopo di caratterizzare le dinamiche dominanti del sistema e di validare le strategie di controllo sviluppate. I risultati preliminari delle simulazioni sono stati supportati dal metodo della matrice RGA (Relative Gain Array), che permette di selezionare l'azione di controllo più efficace per ogni variabile di uscita. Dopo aver finalizzato la strategia di controllo, è stato implementato lo schema di controllo basato su regolatori di tipo feedforward-feedback. L'architettura del sistema di controllo è stata messa a punto sviluppando una procedura per l’avvio del reattore attraverso l’impiego delle reti di Petri: rappresentando l'evoluzione desiderata del reattore mediante questo formalismo logico-matematico, è stato possibile realizzare un sistema di controllo supervisivo che consente la gestione dei diversi controllori. Infine, è stata valutata la possibilità di collegare il reattore ALFRED alla rete elettrica in modo da effettuare il controllo frequenza-potenza. Nella strategia proposta, la gestione del generatore di vapore è stata disaccoppiata dalle dinamiche del circuito primario, in modo tale da soddisfare le richieste dei carichi connessi secondo le costanti di tempo caratteristiche della parte convenzionale dell'impianto. L’approccio metodologico “integrato”, sviluppato nella tesi per il reattore ALFRED, risulta di interesse generale per i reattori raffreddati a metallo liquido.