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Tesi etd-04232015-231250


Thesis type
Tesi di dottorato di ricerca
Author
MARTELLI, DANIELE
URN
etd-04232015-231250
Title
Experimental and Numerical Thermal-hydraulic Analyses in support of GEN-IV Lead-cooled Fast Reactor Design
Settore scientifico disciplinare
ING-IND/19
Corso di studi
INGEGNERIA "L. DA VINCI"
Commissione
tutor Prof. Forgione, Nicola
relatore Prof. Ambrosini, Walter
relatore Dott. Tarantino, Mariano
Parole chiave
  • RELAP5/Fluent coupling
  • heat transfer in fuel bundle
  • Heavy Liquid Metal
  • LFR
  • Accoppiamento di codici
Data inizio appello
29/04/2015;
Consultabilità
completa
Riassunto analitico
L’attività di ricerca oggetto del presente lavoro di tesi di dottorato è stata svolta presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale dell’università di Pisa in collaborazione con l’ Unità Tecnica di Ingegneria Sperimentale presso il centro di ricerche ENEA Brasimone.<br>Lo scopo dell’attività è stato quello di indagare fenomeni di termoidraulica di interesse per il supporto allo sviluppo dei reattori di quarta generazione refrigerati con piombo e piombo bismuto. Il candidato ha sviluppato simulazioni numeriche e ha condotto tre campagne sperimentali sulle facility sperimentali CIRCE (Circolazione Eutettico) e NACIE (Natural Circulation) in supporto alla analisi numeriche effettuate.<br>Lo studio ha avuto inizio a partire da Gennaio 2012. Inizialmente è stata effettuata un’analisi preliminare con dati sperimentali reperiti in letteratura per verificare limiti e capacità del codice di calcolo CFD utilizzato (Ansys Fluent) nel prevedere fenomeni di stratificazione termica in sistemi a piscina (pool type reactor). Una volta verificate le capacità e i limiti del codice, lo si è applicato allo studio della facility sperimentale CIRCE (progettata per lo studio di fenomeni di termoidraulica in reattori di tipo a piscina composta da un vessel principale contenente circa 70 tonnellate di piombo bismuto liquido riscaldato da un bundle elettrico costituito da 37 pins per una potenza complessiva di circa 1 MW). E’ stata sviluppata un’analisi di pre-test simulando un transitorio incidentale di interesse. Al fine di simulare correttamente il transitorio studiato, è stata sviluppata una metodologia di calcolo accoppiato monodirezionale tra il codice di sistema RELAP5 e il codice di CFD Fluent in cui i dati ottenuti in una simulazione RELAP5 precedentemente condotta, sono stati utilizzati come condizioni al contorno per il codice CFD. Tale analisi è stata di supporto al posizionamento della strumentazione di controllo all’interno della sezione di prova. L’analisi di pre-test è stata succeduta dalla campagna sperimentale e da simulazioni di post-test, mostrando un buon accordo trai dati ottenuti sperimentalmente e quelli derivati dalle simulazioni numeriche. Fenomeni di stratificazione termica sono stati evidenziati all’interno dell’apparecchiatura sperimentale e la transizione da circolazione forzata a naturale è stata investigata.<br>Per migliorare l’accuratezza delle simulazioni si è sviluppato un metodo di accoppiamento tra codici di sistema e codici CFD (RELAP5- Ansys Fluent). In particolare, in tale metodologia il dominio geometrico viene suddiviso in regioni opportunamente simulate attraverso il codice di sistema (più idoneo a simulare flussi bifase) e regioni simulate attraverso il codice CFD (più idoneo a simulare regioni caratterizzate da flussi turbolenti e fortemente tridimensionali). Questa suddivisione identifica delle interfacce ben definite attraverso le quali i due codici si scambiano le informazioni necessarie a procedere nel transitorio simulato secondo i vari schemi numerici implementati e gestiti tramite l’apposita interfaccia creata.<br>La metodologia sviluppata è stata applicata alla facility sperimentale NACIE (loop rettangolare in cui circolano circa 1000 kg di piombo bismuto liquido ad una temperatura massima di 550°C e accoppiato ad un circuito secondario ad acqua tramite uno scambiatore di calore). La parte del dominio simulata con il codice di CFD è stata quella relativa al fuel bundle mentre la restante porzione del sistema è stata simulata con il codice di termoidraulica RELAP5.<br>E’ stata condotta una validazione preliminare del metodo di calcolo sviluppato mediante il confronto dei risultati numerici con quelli ottenuti dalla campagna sperimentale mostrando un buon accordo sia per i tests in circolazione naturale che in circolazione forzata.<br>Infine, lo scambio termico all’interno di un fuel bundle refrigerato a piombo bismuto è stato investigato sperimentalmente nella facility CIRCE. La quasi totalità dei dati reperibili nella letteratura scientifica tratta scambio termico in bundle refrigerati con sodio-potassio o mercurio e le correlazioni disponibili sono state sviluppate per tali fluidi. I dati sperimentali forniti nel presente lavoro rappresentano quindi il primo set di dati ottenuto in una facility a piscina di dimensioni rilevanti e costituiscono un supporto di dati sperimentale per la progettazione di reattori di quarta generazione refrigerati con piombo liquido.<br>
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