Experimental and numerical studies in support of the WCLL safety analysis

One of the main reactor concepts arising in the field of nuclear fusion is the Tokamak, in which plasma is confined using a strong helical magnetic field inside a toroidal reaction chamber. However, to be used as a suitable and widespread energy source, these reactors need to consume fuel and convert energy coming from the plasma into usable electricity. Both tasks revolve around a single component: the breeding blanket, which must simultaneously convert radiation from the plasma into utilisable energy and produce the fuel (tritium) which the reactor itself relies on. Several technologies have been proposed to solve these issues, using different combinations of breeders and coolants to achieve the same results. This thesis work, however, focuses on the WCLL (Water-Cooled Lithium-Lead) technology. Its scope is to advance the knowledge about the interaction between the high-pressure water coolant and the low-pressure and high-temperature molten metal breeder in case of the in-box LOCA accidental scenario. To do so, the work followed three main lines of research, strictly interconnected between each other. On one side, a series of experimental tests on the separate effect facility LIFUS5/Mod3 allowed for the extension of the database describing the real-world interaction between the fluids under representative operational conditions. This in turn allowed carrying out the second part of the activity, which consisted of the development of a code-coupling tool for the simulation of such events and the predictive analysis the system response. The last activity consisted in the design of a new facility, the LIFUS5/Mod4, expanding the capabilities of the Mod3 towards a fully integrated system testing experimental plant. The first part of this thesis will focus on the introduction of the relevant systems, their scope and working principles and the issues related to both their development and utilisation in a real plant. In the second part, consisting of Chapter 2, 3 and 4, the focus is shifted on the detailed description of the activities, singularly discussing their development and outcomes. At last, Chapter 5 will discuss the final outcomes of the full research project, its contribution to the advancement of the field and the future developments foreseen from the present activities.

Uno dei principali concetti di reattore emergenti nel campo della fusione nucleare è il Tokamak, in cui il plasma è confinato utilizzando un forte campo magnetico elicoidale all'interno di una camera di reazione toroidale. Tuttavia, affinché questi reattori possano essere utilizzati come una fonte di energia adeguata, devono consumare combustibile e convertire l'energia proveniente dal plasma in elettricità. Entrambi i compiti ruotano attorno ad un singolo componente: il breeding blanket, che deve contemporaneamente convertire la radiazione proveniente dal plasma in energia utilizzabile e produrre il combustibile (trizio) di cui il reattore stesso si avvale. Diverse tecnologie sono state proposte per risolvere questi problemi, utilizzando diverse combinazioni di materiali e refrigeranti puntando ad ottenere gli stessi risultati. Questo lavoro di tesi si concentra sulla tecnologia WCLL (Water-Cooled Lithium-Lead). Il suo scopo è quello di espandere le conoscenze sull'interazione tra il refrigerante ad alta pressione (acqua) e piombo-litio fuso a bassa pressione e alta temperatura, nel caso di uno scenario incidentale di tipo in-box LOCA (Loss Of Coolant Accident). Per raggiungere questo obiettivo, le attività del dottorato hanno seguito tre principali linee di ricerca, strettamente interconnesse tra loro. Da un lato, l’esecuzione di una serie di test sperimentali sulla facility a effetti separati LIFUS5/Mod3 ha permesso di ampliare il database che descrive l'interazione tra i fluidi nelle condizioni operative reali. Questo, a sua volta, ha consentito di svolgere la seconda parte dell'attività, che consiste nello sviluppo di uno strumento di accoppiamento codici per la simulazione di tali eventi e nell'analisi predittiva della risposta del sistema. L'ultima attività ha riguardato la progettazione di un nuovo impianto, il LIFUS5/Mod4, che supera le capacità del Mod3 verso un impianto sperimentale completamente integrato. La prima parte di questa tesi si concentrerà sull'introduzione dei sistemi oggetto di studio, del loro scopo e dei loro principi di funzionamento, oltre che sulle problematiche legate sia al loro sviluppo sia al loro utilizzo in un impianto reale. Nella seconda parte, che comprende i Capitoli 2, 3 e 4, l'attenzione si sposterà sulla descrizione dettagliata delle attività, discutendo singolarmente il loro sviluppo e i risultati ottenuti. Infine, il Capitolo 5 discuterà i risultati finali dell'intero progetto di ricerca, il suo contributo all'avanzamento del settore e gli sviluppi futuri previsti a partire dalle attività presenti.