Published January 29, 2014 | Version v1
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Study of the electromagnetic pumping systems of molten metals and molten salts

Description

The actual concerns with respect to safe operation of existing nuclear plants and to designing special architectures envisaged for the fourth generation of nuclear reactors, corroborated with the increasing interest for efficiency and reliability of any equipment belonging to an energetic system, make that more and more research endeavors to be devoted to the study of various parts of these systems for a better understanding and optimization based on modern techniques of computer aided design. Among the types proposed for the fourth generation of nuclear reactors belong those that have as cooling agent molten salts, respectively liquid sodium. Many reactors of previous generations use mechanical pumps of special design for driving the coolants. Molten salts and liquid sodium, thanks to their physical properties, have the potential to be driven using electromagnetic pumps. Although the technology of electromagnetic pumping of electro-conductive fluids was developed since the first half of the last century, currently it undergoes a revival due to the reconsideration of its multiple technological and security advantages. This work is both an intimate study of the phenomena that occur as a result of the electro-conductive fluids flow in the electromagnetic field of an electromagnetic pump - magnetohydrodynamic interaction - and a report on the capabilities and advantages of modern computational tools to facilitate the design and optimization of electromagnetic pumps. To achieve the principal goal of deeper understanding of the interdependent phenomena specific to electromagnetic pumps operation, two auxiliary objectives were considered. The first one is related to the full exploitation of electromagnetic finite element models in order to retrieve as much information as possible about electromagnetic pumps behavior in a simplifying hypothesis that does not take into account the fluid dynamics. The second auxiliary objective is to build numerical models that couple the electromagnetism and the fluid dynamics, namely the two interdependent physics that govern the magnetohydrodynamic flow through channels of electromagnetic pumps. In the section dealing with the study of electromagnetic pumping of molten salts, the thesis highlights specific problems related to the generation of electromagnetic forces in fluids with low electrical conductivity and provides results with respect to applications where electromagnetic pumping of molten salts can be effective. With the electromagnetic numerical models were obtained important data about the influence of the number of electromagnetic poles and supply frequency on the Pressure/Velocity characteristic of annular linear induction pumps. Were analyzed the shielding effect generated by the metallic walls - with negative repercussions on pumps performances, braking effects exerted at pump inlet and pump outlet and the connection between the overload capacity and Pressure/Velocity characteristic of induction pumps. A special portion was devoted to the analysis of the time and space dependence of the electromagnetic force and to the study of the non-uniformities of electromagnetic quantities in azimuth direction of annular linear induction pumps. In the chapter devoted to the magnetohydrodynamic interaction through coupled models, the thesis proposes two models that couple the electromagnetism and the fluid flow, one realized using multi-physic software and the second by coupling two different softwares. There are presented the advantages of the coupled models with respect to the results accuracy in comparison with electromagnetic models. It is presented the evolution of velocity, force and current densities profiles under the influence of the electromagnetic field and of different sodium mean velocities. It is shown that a good approximation of the electromagnetic pump efficiency requires the use of coupled models that take into account the hydrodynamic losses and the effects of turbulence. The contributions of the thesis are completed with significant observations related to the study methods and software tools used along the study process. (author)

Abstract (French)

Les preoccupations actuelles concernant l'exploitation securitaire des centrales nucleaires existantes et la conception d'architectures speciales envisagees pour la quatrieme generation de reacteurs nucleaires se combinent avec l'interet plus prononce pour l'efficacite et la fiabilite de l'equipement d'un systeme energetique. Cela fait que dans un souci de meilleure comprehension et optimisation basee sur des moyens modernes de conception assistee par l'ordinateur, l'etude de differentes parties de ces systemes fait de plus en plus l'objet de recherches approfondies. Parmi les types proposes pour la quatrieme generation de reacteurs nucleaires font partie ceux ayant comme agent de refroidissement les sels fondus, respectivement le sodium fondu. De nombreux reacteurs nucleaires de la generation precedente utilisent des pompes mecaniques de construction speciale pour l'entrainement des liquides de refroidissement. En raison de leurs proprietes physiques, les sels fondus et le sodium liquide ont le potentiel d'etre deplaces par les pompes electromagnetiques. Bien que la technologie de pompage electromagnetique des fluides conducteurs d'electricite ait ete developpee a partir de la premiere partie du dernier siecle, elle connait maintenant un renouveau grace a la reconsideration de ses nombreux avantages technologiques et de la securite d'exploitation. Cet ouvrage est a la fois une etude approfondie des phenomenes qui se produisent en raison de l'ecoulement du fluide dans le champ electromagnetique d'une pompe electromagnetique - interaction magnetohydrodynamique - et un rapport sur les capacites et les avantages des outils informatiques modernes pour faciliter la conception et l'optimisation des pompes electromagnetiques. Afin d'atteindre l'objectif principal de la these, notamment une meilleure comprehension des phenomenes interdependants specifique a l'operation des pompes electromagnetiques, deux objectifs secondaires ont ete consideres. Le premier objectif concerne la pleine exploitation des modeles electromagnetiques numeriques en elements finis afin d'obtenir autant d'informations que possible sur le comportement des pompes electromagnetiques, dans l'hypothese ou on ne tient pas compte de l'ecoulement des fluides. Le deuxieme objectif etait la construction des modeles numeriques qui reunissent l'electromagnetisme et la dynamique des fluides, respectivement des modeles numeriques qui regroupent les deux phenomenes caracterisant l'ecoulement magnetohydrodynamique dans les canaux des pompes electromagnetiques. Dans l'etude dediee au pompage electromagnetique de sels fondus, la these met en evidence des problemes specifiques lies a la generation de forces electromagnetiques dans les fluides faibles conducteurs d'electricite et fournit des resultats sur les applications ou le pompage electromagnetique de sels fondus peut etre efficace. A l'aide des modeles electromagnetiques nous avons obtenu des informations importantes sur l'influence du nombre de poles electromagnetiques et de la frequence d'alimentation sur la caracteristique Pression - Vitesse des pompes annulaires a induction. Ils ont ete analyses le phenomene de blindage cree par les parois metalliques - avec des repercussions negatives sur les performances de la pompe, les effets de freinage exerces a l'entree et a la sortie du canal de la pompe et la relation entre la capacite de surcharge hydrodynamique et la caracteristique Pression - Vitesse des pompes a induction. Une section speciale a ete consacree a l'analyse de la dependance de la force electromagnetique du temps et de l'espace et a l'etude de nonuniformitees des quantites de nature electromagnetique en direction azimutale dans les pompes annulaires a induction. Dans le chapitre qui traite de l'interaction magnetohydrodynamique a base de modeles couples, ils sont proposes deux modeles qui couplent l'electromagnetisme et l'ecoulement. Un de ces modeles est realise avec un seul logiciel, tandis que le second est realise par le couplage de deux logiciels differents. Ils sont presentes les avantages des modeles couples, en matiere de la precision des resultats, par rapport aux modeles electromagnetiques. Il est egalement presente l'evolution des profils de vitesse, de densite de force et de courant sous l'influence du champ electromagnetique et de l'ecoulement de sodium a vitesses differentes. Il etre montre que pour obtenir une bonne approximation de l'efficacite de la pompe electromagnetique il est necessaire d'utiliser un modele couple qui prend en compte les pertes hydrodynamiques et l'effet de viscosite turbulente. Les contributions de la these sont completees par des observations importantes sur les methodes de travail et les logiciels utilises tout au long de l'etude. (auteur)

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Original title (English)
Etude des systemes electromagnetiques de pompage pour les metaux et les sels fondus

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Imprint Pagination
222 p.
Report number
FRNC-TH--12107

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