CFD simulation analysis of the TRIGA Mark II reactor

TRIGA reactor, designed by General Atomics, is one of the most widely used nuclear research reactors in the world. The TRIGA is a pool-type, low-power research reactor designed to operate in natural circulation, although a primary cooling system is installed into the pool for radiation protection and safety purposes. In the framework of the ARCO project, promoted by INFN, an experimental campaign has been carried out by the Physic Department of Bicocca University, being aimed to characterize the core of the TRIGA Mark II reactor of the University of Pavia. The measurement suggests the presence of reversal flows and recirculation in the core that could be attributed to the interaction between natural and forced convection. In this work, for the first time, a complete thermal-hydraulic model of the whole TRIGA Mark II reactor has been analyzed with CFD techniques using the open source OpenFOAM package. The purpose consists in investigating the fluid-dynamic behavior of the reactor, focusing on the coupling between the core and the reactor pool. A solver has been developed and validated, for multiregion conjugate heat transfers, in order to take into account the buoyancy forces for incompressible fluid flows with the Boussinesq approximation. Best meshing procedure has been determined considering the geometric complexity of the reactor and most relevant fluid-dynamic phenomena. Menter's k-ω SST turbulence model has been selected for both natural and mixed convection. Transient simulations have been run over different meshes and set-ups for both circulation conditions. Simulation results are consistent with the hypothesis investigated by the model. Moreover mixed circulation results effectively points out the presence of reverse flow and recirculation although only under qualitative point of view.

Il reattore TRIGA, progettato da General Atomics, è uno dei reattori nucleari di ricerca più usati al mondo. Il TRIGA è un reattore a piscina di bassa potenza progettato per funzionare in circolazione naturale, sebbene un sistema di raffreddamento sia installato nella piscina per scopi radioprotezionistici e di sicurezza. Nell’ambito del progetto ARCO, promosso da INFN, è stata portata avanti dal dipartimento di Fisica dell’Università Bicocca una campagna sperimentale, atta a caratterizzare il nocciolo del reattore TRIGA Mark II dell’Università di Pavia. Le misure effettuate suggeriscono la presenza di inversione del flusso e ricircoli nel nocciolo che possono essere attribuiti all’interazione tra convezione naturale e forzata. In questo lavoro, per la prima volta, un modello termoidraulico dell’intero reattore TRIGA Mark II è stato analizzato con tecniche di CFD utilizzando il pacchetto open surce OpenFOAM. Lo scopo consiste nell’investigare il comportamento fluido-dinamico del reattore, focalizzandosi sull’accoppiamento tra il nocciolo e la piscina. Un solutore è stato sviluppato e validato per lo scambio termico e per tenere conto delle forze di galleggiamento per il moto di fluidi incomprimibili in approssimazione di Boussinesq. La migliore procedura di discretizzazione spaziale è stata determinata considerando la complessità geometrica del reattore e i fenomeni fluido-dinamici più rilevanti. Il modello di turbolenza k-ω SST di Menter è stato selezionato sia in circolazione naturale che mista. Le simulazioni dei transitori sono state lanciate con diverse mesh e set-up sia in circolazione naturale che mista. I risultati delle simulazioni sono consistenti con le ipotesi inerenti il comportamento del reattore. Inoltre i risultati in convezione mista hanno effettivamente mostrato la presenza di inversioni del flusso e ricircoli sebbene solo dal punto di vista qualitativo.