Development and application of a thermo-hydraulic model supporting the design and the deterministic safety analysis in a sodium cooled fast reactor

Il CP-ESFR è un progetto integrato di cooperazione europeo sui reattori a sodio SFR realizzato sotto il programma quadro EURATOM 7, che unisce il contributo di venticinque partner europei. Il CP-ESFR ha l'ambizione di contribuire all'istituzione di una "solida base scientifica e tecnica per il reattore veloce refrigerato a sodio, al fine di accelerare gli sviluppi pratici per la gestione sicura dei rifiuti radioattivi a lunga vita, per migliorare le prestazioni di sicurezza, l'efficienza delle risorse e il costo-efficacia di energia nucleare al fine di garantire un sistema solido e socialmente accettabile di protezione della popolazione e dell'ambiente contro gli effetti delle radiazioni ionizzanti. " La presente tesi di laurea è un contributo allo sviluppo di modelli e metodi, basati sull’uso di codici termo-idraulici di sistema, per l’ analisi di sicurezza di reattori di IV Generazione refrigerati a metallo liquido. L'attività è stata svolta nell'ambito del progetto FP-7 PELGRIMM ed in sinergia con l’Accordo di Programma MSE-ENEA(PAR-2013). Il progetto FP7 PELGRIMM ha come obbiettivo lo sviluppo di combustibili contenenti attinidi minori 1. attraverso lo studio di due diverse forme: pellet (oggetto della presente tesi) e spherepac 2. valutandone l’impatto sul progetto del reattore CP-ESFR. La tesi propone lo sviluppo di un modello termoidraulico di sistema dei circuiti primario e intermedio del reattore con il codice RELAP5-3D© (INL, US). Tale codice, qualificato per il licenziamento dei reattori nucleari ad acqua, è stato utilizzato per valutare come variano i parametri del core del reattore rilevanti per la sicurezza (es. temperatura di camicia e di centro combustibile, temperatura del fluido refrigerante, etc.), quando il combustibile venga impiegato per “bruciare” gli attinidi minori (isotopi radioattivi a lunga vita contenuti nelle scorie nucleari). Questo ha comportato, una fase di training sul codice, sui suoi modelli e sulle sue capacità. Successivamente, lo sviluppo della nodalizzazione dell’impianto CP-ESFR, la sua qualifica, e l’analisi dei risultati ottenuti al variare della configurazione del core, del bruciamento e del tipo di combustibile impiegato (i.e. diverso arricchimento di attinidi minori). Il testo è suddiviso in sei sezioni. La prima fornisce un’introduzione allo sviluppo tecnologico dei reattori veloci, evidenzia l’ambito in cui è stata svolta questa tesi e ne definisce obbiettivi e struttura. Nella seconda sezione, viene descritto l’impianto del CP-ESFR con attenzione alla configurazione del nocciolo e al sistema primario. La terza sezione introduce il codice di sistema termico-idraulico utilizzato per le analisi e il modello sviluppato per riprodurre l’impianto. Nella sezione quattro vengono descritti: i test e le verifiche effettuate per valutare le prestazioni del modello, la qualifica della nodalizzazione, i principali modelli e le correlazioni più rilevanti per la simulazione e le configurazioni del core considerate per l’analisi dei risultati. I risultati ottenuti relativamente ai parametri di sicurezza del nocciolo in condizioni di normale funzionamento e per un transitorio selezionato sono descritti nella quinta sezione. Infine, sono riportate le conclusioni dell’attività.

Hydraulic evaluation of the gyro electric wave energy converter

Motivation Thanks for a scholarship offered by ALma Mater Studiorum I could stay in Denmark for six months during which I could do physical tests on the device Gyro PTO at the Departmet of Civil Engineering of Aalborg University. Aim The goal of my thesis is an hydraulic evaluation of the device: Gyro PTO, a gyroscopic device for conversion of mechanical energy in ocean surface waves to electrical energy. The principle of the system is the application of the gyroscopic moment of flywheels equipped on a swing float excited by waves. The laboratory activities were carried out by: Morten Kramer, Jan Olsen, Irene Guaraldi, Morten Thøtt, Nikolaj Holk. The main purpose of the tests was to investigate the power absorption performance in irregular waves, but testing also included performance measures in regular waves and simple tests to get knowledge about characteristics of the device, which could facilitate the possibility of performing numerical simulations and optimizations. Methodology To generate the waves and measure the performance of the device a workstation was created in the laboratory. The workstation consist of four computers in each of wich there was a different program. Programs have been used : Awasys6, LabView, Wave lab, Motive optitrack, Matlab, Autocad Main Results Thanks to the obtained data with the tank testing was possible to make the process of wave analisys. We obtained significant wave height and period through a script Matlab and then the values of power produced, and energy efficiency of the device for two types of waves: regular and irregular. We also got results as: physical size, weight, inertia moments, hydrostatics, eigen periods, mooring stiffness, friction, hydrodynamic coefficients etc. We obtained significant parameters related to the prototype in the laboratory after which we scale up the results obtained for two future applications: one in Nissun Brending and in the North Sea. Conclusions The main conclusion on the testing is that more focus should be put into ensuring a stable and positive power output in a variety of wave conditions. In the irregular waves the power production was negative and therefore it does not make sense to scale up the results directly. The average measured capture width in the regular waves was 0.21 m. As the device width is 0.63 m this corresponds to a capture width ratio of: 0.21/0.63 * 100 = 33 %. Let’s assume that it is possible to get the device to produce as well in irregular waves under any wave conditions, and lets further assume that the yearly absorbed energy can be converted into electricity at a PTO-efficiency of 90 %. Under all those assumptions the results in table are found, i.e. a Nissum Bredning would produce 0.87 MWh/year and a North Sea device 85 MWh/year.

Modeling and Model Predictive Control of an Industrial Hydraulic System

This thesis aims to illustrate the construction of a mathematical model of a hydraulic system, oriented to the design of a model predictive control (MPC) algorithm. The modeling procedure starts with the basic formulation of a piston-servovalve system. The latter is a complex non linear system with some unknown and not measurable effects that constitute a challenging problem for the modeling procedure. The first level of approximation for system parameters is obtained basing on datasheet informations, provided workbench tests and other data from the company. Then, to validate and refine the model, open-loop simulations have been made for data matching with the characteristics obtained from real acquisitions. The final developed set of ODEs captures all the main peculiarities of the system despite some characteristics due to highly varying and unknown hydraulic effects, like the unmodeled resistive elements of the pipes. After an accurate analysis, since the model presents many internal complexities, a simplified version is presented. The latter is used to linearize and discretize correctly the non linear model. Basing on that, a MPC algorithm for reference tracking with linear constraints is implemented. The results obtained show the potential of MPC in this kind of industrial applications, thus a high quality tracking performances while satisfying state and input constraints. The increased robustness and flexibility are evident with respect to the standard control techniques, such as PID controllers, adopted for these systems. The simulations for model validation and the controlled system have been carried out in a Python code environment.