CFD-based analysis for the pool design of a Gen-IV lead cooled fast reactor

In this thesis the thermo-fluid dynamics behaviour of the lead in ALFRED (Advanced European Lead Fast Reactor Demonstrator) was studied. ALFRED is one of the Gen VI demonstrator reactors which includes the use of pure liquid lead as coolant. For this purpose, CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations have been carried out. The study was conducted in collaboration with Ansaldo Nucleare, a member of the FALCON (Fostering ALfred CONstruction) consortium for the reactor's construction. The attention was focused on the analysis of the pool of ALFRED, investigating the velocity field and temperature range of the fluid. Although the speed of the lead should be kept low due to erosion problems, it is necessary to avoid the formation of stagnation areas to minimize the thermal stratification phenomenon of the coolant in the reactor pool. The work involved the creation of a computational model of the geometry, the mesh generation and simulations with the commercial software ANSYS Fluent 14.5.7. Results were used to improve some design parameters of the reactor and the flow and temperature fields have been analyzed. Sensitivity studies have been conducted to assess the variability of the results.

Con questo lavoro di tesi si è voluto studiare il comportamento termo-fluido-dinamico del piombo all'interno di ALFRED (Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator), uno dei reattori dimostrativi di Gen VI che prevede l'utilizzo di piombo liquido come refrigerante. A questo scopo sono state effettuate simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD). Lo studio è stato condotto in collaborazione con Ansaldo Nucleare, membro del consorzio FALCON (Fostering ALfred CONstruction) per la realizzazione del reattore. Particolare attenzione e stata posta all'analisi della piscina di ALFRED, andando ad investigare il campo di moto del fluido e il campo di temperatura. Sebbene la velocità del piombo debba essere mantenuta bassa al fine di evitare problemi di erosione, è necessario evitare che non vengano a crearsi zone di ristagno e ridurre al minimo il fenomeno della stratificazione termica del refrigerante nella piscina del reattore. Il lavoro ha previsto la realizzazione della geometria, la generazione della mesh e simulazioni con il software commerciale ANSYS Fluent 14.5.7. Dai risultati ottenuti è stato possibile apportare dei miglioramenti ad alcuni parametri di design. Sono stati analizzati i campi di moto e di temperatura del piombo nella piscina del reattore. Infine, studi di sensitività sono stati condotti per stimare la variabilità dei risultati.