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Tesis:

Conceptual Design of a Helium-Cooled Small Modular Reactor

  • Autor: LARRIBA DEL APIO, Samantha

  • Título: Conceptual Design of a Helium-Cooled Small Modular Reactor

  • Fecha: 2024

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80768/

  • Director/a 1º: JIMÉNEZ VARAS, Gonzalo

  • Resumen: SMRs are becoming attractive for several economical and technical reasons, and everything seems to indicate that they could be a good alternative to traditional nuclear reactors for certain scenarios and applications. Several studies highlight different advantages, including being a good alternative for industrial applications that require high temperatures. During the past years, a broad spectrum of prototypes have been proposed, and some new start-up companies have grown exponentially because of the good perspectives of the SMR market. The main objective of this PhD thesis was to develop a new concept of SMR, which combines the use of a dry cask for the vessel, alternative passive heat transfer systems, such as Heat Pipes (HP) with an efficient Bryton cycle for the power production. Two lines were followed based on the core configuration. The first was called a residual heat reactor and explores the possibilities of employing only residual heat, taking the TN24P dry cask as a reference. The second option was to present a critical reactor which has a vessel based on a dry cask as well as GTHTR300 reactor technology for the heat exchanger (out of the vessel) and the primary circuit. Once the vessel geometry was selected, it was modelled as a separate part, and the rest of the SMR was studied with the incorporation of different known components, based on the experience found on the open literature from GHTR3000, with the goal of having the possibility to compare the models with design and experimental results. The reactor would achieve a 150 MWt with a helium mass flow of 100 kg/s, and 90 kg/s of water in the precooler. Finally, the vessel and other systems, as applications or safety systems based on Passive Isolation Condenser, were integrated to form the proposed concept of SMR conceptual. Regarding safety systems based on the PIACE project, it was concluded that to be possible to adapt the PIC system would require more experiments, and it has been decided to discard this application. Considering the temperature range for several described applications, both low pressure and temperature or high-pressure and temperature, could be considered for the presented reactor. The residual reactor has been presented as an integration of the heat pipes system with electricity production technologies, using STAR-CCM+. Two cases (Stirling and thermoelectric generator) were viable in this case. The circuit was based on the use of the condenser as the heat source for the electricity process, while the heap pipes operate. This created two closed circuits, with the `primary as HP and the `secondary as the corresponding technology to produce electricity. The conclusion of this part was the viability of residual heat reactors with actual knowledge and technology, producing until 450 We in the case of the Stirling Engine and 45 We if a thermoelectric generator is considered. It was decided to call it HOPER, Helium Optimal PowEr Reactor, with the goal of identifying the reactor in the market. The conceptual design of the HOPER has the potential to convert it into reality with more effort and future works. RESUMEN Los SMR están atrayendo cada día más interés, y todo parece indicar que podrían ser una buena alternativa a los reactores nucleares convencionales. Distintos estudios destacan diferentes ventajas, entre ellas la posibilidad de ser empleados para aplicaciones industriales que requieren altas temperaturas. Durante los últimos años se han propuesto distintos prototipos y algunas empresas han crecido exponencialmente debido a su buena acogida en el mercado de los reactores SMR, especialmente en el caso de los LWR. En esta tesis se introduce un nuevo concepto de SMR, que tiene la capacidad de explorar la cogeneración en los reactores de gas. El principal objetivo de esta tesis doctoral era desarrollar un nuevo concepto de SMR, que combinase el uso de un contenedor de combustible gastado para la vasija, sistemas pasivos de transferencia de calor, como las Heat Pipes (HP), con un ciclo Bryton de gas para la producción de energía. Se han seguido dos líneas en función del calor extraído en el núcleo. El primero se denominó reactor de calor residual y exploraba las posibilidades de emplear únicamente calor residual tomando como referencia el contenedor de combustible gastado TN24P. La segunda opción, y más innovadora, fue presentar un reactor crítico que se basó en una configuración de barril seco para el caso del recipiente, así como en la tecnología de reactor GTHTR300 para el intercambiador de calor y el circuito primario. Una vez seleccionada la geometría de la vasija, se ha modelado como parte independiente, y el resto se ha estudiado como la incorporación de diferentes componentes conocidos, con el objetivo de tener la posibilidad de comparar los modelos con resultados reales y experimentales. El reactor propuesto alcanza una potencia de 150 MWt con un flujo másico de helio de 100 kg/s y 90 kg/s de agua en el pre-enfriador. Finalmente, la vasija y otros sistemas, como los de cogeneración o sistemas de seguridad basados en un Condensador de Aislamiento Pasivo, se han integrado para formar la propuesta conceptual del SMR. Respecto a los sistemas de seguridad basados en el proyecto PIACE, se concluyó que para ser posible adaptar el Condensador Pasivo de Aislamiento se necesitarían más experimentos y se ha decidido descartar esta aplicación. Considerando el rango de temperatura para cogeneración, se podrían acoplar aplicaciones de baja y alta temperatura. El reactor de calor residual integra el sistema de heat pipes propuesto con tecnologías de producción de electricidad, utilizando STAR-CCM+. En este caso eran viables dos tecnologías: Stirling y generador termoeléctrico. El circuito se basó en el uso del condensador como fuente de calor para el proceso eléctrico. Esto crea dos circuitos cerrados, con las HP como el primario y el secundario como la tecnología correspondiente para producir electricidad. Se comprueba así la viabilidad de reactores de calor residual, produciendo hasta 450 We en el caso del Motor Stirling y 45 KWe si se considera un generador termoeléctrico. Se decidió llamar al reactor HOPER (Helium Optimal PowEr Reactor), con el objetivo de identificarlo en el mercado. El diseño conceptual tiene el potencial de convertirse en una realidad con más esfuerzos y trabajos futuros.