Developement of multi-physical multiscale models for molten salts at high temperature and their experimental validation
Développement des modèles multi-physiques multi-échelle de caloporteurs sels fondus à haute température et validation expérimentale
Résumé
Molten salts have been recently proposed as high-temperature heat carrier media for energy applications. In the nuclear industry, the Molten Salt Reactors (MSRs) are the only fourth generation concept proposing the usage of a liquid nuclear fuel. This innovative aspect allows proposing improved safety and design features, but it leads to novel challenges. In particular, the Molten Salt Fast Reactor (MSFR) is a MSR concept that is currently being studied in the H2020 European project SAMOFAR. Among the project activities, there are the development of more performant molten salts models and their experimental validation through the SWATH platform. This is the objective of the present thesis. However, the models developed are appropriate for other MSRs and other energy applications using molten salts as heat carrier media.The following thesis is divided into three parts.The first part is dedicated to the development of models for describing realistically some of the microscopic and macroscopic thermal phenomena associated with the usage of liquid molten salts as heat carrier media. This part includes the development and implementation of neutronic models to study nuclear power production in the MSFR, the study of turbulence and turbulence-radiation interaction in molten salt flows and the development of a multiscale approach to model the solidification/melting phenomena in salts.The second part is devoted to the design and implementation of dedicated experiments for validating these models. Two key experiments are addressed: an experiment to study the behavior of different turbulence models after a boundary layer detachment and one to test the multiscale solidification models developed for molten salts.The third part is committed to the coupling of the models developed into a multiphysics platform for the precise study of the draining transient of the MSFR.
Les sels fondus ont récemment été proposés comme milieux caloporteurs à haute température. Dans l'industrie nucléaire, le concept de réacteur à sels fondus (MSR en anglais) est le seul concept de quatrième génération qui propose l'utilisation d'un sel fondu liquide comme combustible nucléaire. Cette innovation présente des aspects positifs pour la conception et la sûreté nucléaire, mais impose de nouveaux défis. Le réacteur rapide à sels fondus (MSFR en anglais) est un concept qui est actuellement étudié dans le projet européen H2020 SAMOFAR, incluant le développement et la validation expérimentale (dans la plateforme expérimentale SWATH) de modèles plus performants pour les sels fondus : tel est l'objectif de ce travail de thèse. En outre les modèles développés peuvent s'appliquer à d'autres MSRs et à d'autres applications énergétiques utilisant des sels fondus comme milieux caloporteurs.La thèse suivante est divisée en trois parties :Premièrement, le développement de modèles pour décrire de façon réaliste certains des phénomènes thermiques microscopiques et macroscopiques associés à l’utilisation de sels liquides fondus comme milieux caloporteurs. Cette partie comprend l’utilisation et le développement de nouveaux modèles neutroniques pour étudier la production d'énergie nucléaire, ainsi que la modélisation des phénomènes turbulents dans les sels fondus, l’étude de l’interaction du rayonnement thermique et la turbulence dans les sels fondus. Enfin, cette partie traite également du développement d’une approche multi-échelle pour l'étude précise de la solidification/fusion dans les sels.Deuxièmement, la conception et la mise en œuvre d’expériences dédiées à la validation de ces modèles. Deux expériences clés ont été conçues au cours de cette thèse et ont été implémentées dans la plate-forme SWATH. L'objectif de ces expériences est d'étudier le comportement de différents modèles de turbulence et de tester les modèles de solidification développés dans les sels fondus.Troisièmement, les modèles développés ont été couplés dans une plateforme multi-physique pour l'étude précise du transitoire drainant du MSFR.
Origine : Version validée par le jury (STAR)