Optimization of passive decay heat removal systems for the integral inherently safe light water reactor (I2S-LWR)

The Integral Inherently Safe Light Water Reactor (I2S-LWR) is a high power reactor characterized by a high level of safety. The target for the Decay Heat Removal System of the reactor is to be passive, i.e., require no operator action, power, or manual actuations of valves or controllers, and to provide indefinite decay heat removal capability, via natural circulation, using ambient air as ultimate heat sink. A performance analysis using the RELAP5-3D/MOD4.0.3 code has been conducted. The whole primary loop of the reactor has been modeled, followed by dimensioning through parametric studies and optimization of the main components of the DHRS (composed of four trains, each made up of an Intermediate Heat Exchanger, an Intermediate Loop and an Air Heat Exchanger). At a later stage, after determining the nominal power conditions, the shutdown transient analysis under loss of offsite power conditions has been made imposing as initial conditions the nominal conditions determined previously. Moreover, the presence of a fail open valve that isolates the DHRS during nominal operation has been considered, showing a performance increasing with the valve closure level. Then, the Air Heat Exchanger has been reduced in size in order to find the smallest configuration that permitted the decay heat removal considering a possible failure of one of the four trains of the system. Finally, an estimation of the behavior of a different working fluid for the intermediate loop, which consists of nanoparticles dispersed in conventional water, has been made. The analysis showed that the improvement in the heat transfer properties of the working fluid does not significantly affect the exchanged power, confirming that the bottleneck of the system consists of the heat exchange with air. At the end, a passive cooling system for the spent fuel pool using air as ultimate heat sink has also been designed, considering the spent fuel from seven years of operation. The cooling system has been designed to maintain the pool temperature below the saturation state during accidental conditions. The plant has also been provided with water tanks that, if the decay power exceeds the cooling system capability up to 7.2 MW, can replenish the pool water achieving cooling for at least 72 hours after the shutdown.

L’Integral Inherently Safe Light Water Reactor (I2S-LWR) è un innovativo reattore di elevata potenza caratterizzato da un alto livello di sicurezza. La nuova concezione di questo reattore si basa sull’adozione di una configurazione integrale e di sistemi di sicurezza in grado di eliminare potenziali iniziatori di incidenti, come quelli derivanti da perdite di fluido refrigerante primario (Loss of Coolant Accidents, LOCAs) e da espulsioni delle barre di controllo (Rod Ejections Accidents). Il sistema di rimozione del calore di decadimento (Decay Heat Removal System, DHRS) di questo reattore è caratterizzato da una completa passività, in grado di garantire un’indefinita rimozione del calore di decadimento attraverso la circolazione naturale, trasferendo questo calore all’aria ambiente. Il DHRS consiste in quattro sistemi indipendenti, ognuno dei quali formato da uno scambiatore di calore intermedio posizionato nel contenitore primario (Intermediate Heat Exchanger, IHX) e uno scambiatore di calore acqua-aria (Air Heat Exchanger, AHX) tra loro connessi tramite un circuito intermedio (Intermediate Loop). In questo lavoro di tesi è stato svolto un dimensionamento e un’analisi di performance del sistema utilizzando il codice RELAP5-3D/MOD4.0.3, modellizzando inizialmente l’intero circuito primario del reattore. Il DHRS è stato successivamente dimensionato attraverso una ottimizzazione dei suoi componenti principali. L’IHX, posizionato all’interno del contenitore primario nello spazio anulare disponibile tra il core e la parete esterna del vessel, è stato progettato in modo da incentivare l’avvio della circolazione naturale all’interno del core, sfruttando la differenza di elevazione e di temperatura tra i condotti di ingresso (in corrispondenza del downcomer) e di uscita (in corrispondenza del lower plenum). Il circuito intermedio è stato invece dimensionato in modo da garantire una sufficiente differenza di elevazione tra l’IHX e l’AHX in modo da massimizzare la portata del fluido di lavoro nel circuito stesso. Per l’AHX sono state valutate tre possibili differenti configurazioni per poi scegliere quella in grado di rimuovere il più alto grado di potenza in condizioni stazionarie. È stato inoltre valutato l’effetto delle condizioni ambientali sulle prestazioni del sistema. Infine, dopo aver determinato le condizioni di operazione nominali del reattore, è stato simulato il transitorio di spegnimento sotto le condizioni di blackout con isolamento dalla rete esterna (Loss of Offsite Power Conditions, LOOP), imponendo come condizioni iniziali le condizioni di operazione determinate in precedenza. Inoltre è stata valutata la presenza di una valvola intrinsecamente sicura, posta in corrispondenza del condotto di ingresso dell’IHX, in grado isolare il DHRS durante il funzionamento nominale. L’analisi ha rivelato un incremento di prestazioni con il grado di chiusura della suddetta valvola. Successivamente, le dimensioni dell’AHX sono state ridotte in modo da determinare la condizione limite che fosse in grado di garantire un adeguato raffreddamento del reattore, accettando il guasto di uno dei quattro circuiti del DHRS. Infine, è stato valutato il comportamento di un differente fluido di lavoro per il circuito intermedio, consistente in nanoparticelle disperse in una matrice d’acqua (nanofluido). L’analisi ha mostrato come l’incremento delle proprietà termiche del nuovo fluido non provochi un significativo incremento della potenza rimossa, confermando come il collo di bottiglia del sistema risieda nello scambio termico con l’aria ambiente. In conclusione, è stato effettuato il dimensionamento di un sistema di raffreddamento passivo ad aria per la piscina di raffreddamento del combustibile esaurito. Per quest’analisi è stata ipotizzata la presenza in piscina di combustibile esaurito derivante da sette anni di funzionamento, considerando la sostituzione di un terzo degli elementi di combustibile presenti nel nocciolo dopo ogni anno di funzionamento. Il sistema di raffreddamento è stato progettato in modo da mantenere la temperatura della piscina al di sotto delle condizioni di saturazione durante eventi incidentali. L’impianto è stato inoltre equipaggiato con un serbatoio d’acqua che, nel caso in cui la potenza residua nella piscina eccedesse di un valore fino a 7.2 MW la capacità di rimozione del sistema di raffreddamento, possa rifornirla garantendo un suo raffreddamento fino ad almeno 72 ore dopo lo spegnimento del reattore.