Koncepti učinkovitega hlajenja visoko toplotno obremenjenih komponent v fuzijskem reaktorju
Oznaka in naziv projekta
J2-9209 Koncepti učinkovitega hlajenja visoko toplotno obremenjenih komponent v fuzijskem reaktorju
J2-9209 Efficient cooling concepts for high heat flux components in fusion reactor
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Boštjan Končar
Raziskovalci: dr. Boštjan Končar, dr. Martin Draksler, dr. Matej Tekavčič, Rok Krpan, prof.dr. Leon Cizelj, prof.dr. Iztok Tiselj
Tehnični sodelavec: Sandi Cimerman
Vsebinski opis projekta
Odvajanje delcev in nečistoč iz plazme je v modernih fuzijskih reaktorjih povezano s koncentriranimi visokimi toplotnimi obremenitvami komponent izpostavljenih plazmi, še posebej tarč diverterja. Njegova glavna naloga je odstranjevanje nečistoč iz plazme. Hkrati diverter služi tudi kot ščit, ki varuje magnete ter ostale zunanje komponente reaktorja pred visoko-energijskimi delci (nevtroni ter delci alfa), ki se sproščajo v plazmi. Razvoj tarč diverterja je eden največjih izzivov pri načrtovanju reaktorja ITER in bodočih fuzijskih elektrarn, predvsem prve demonstracijske elektrarne DEMO. Tarča diverterja mora zdržati visoke toplotne obremenitve, v točki stika z robno plazmo tudi več kot 10 MW/m2, zato je diverter potrebno intenzivno hladiti, da ne bi prišlo do poškodb komponent. Hlajenje mora biti hkrati dovolj učinkovito (čim manjša potrebna moč za pretakanje hladila), da ne bi preveč zmanjšali celotnega izkoristka fuzijske elektrarne. Za tako ekstremne razmere je potrebno razviti ustrezen koncept hlajenja diverterja.
Glavni cilj projekta je razvoj učinkovitega hlajenja tarč diverterja s helijem. Za konceptualne in optimizacijske študije načinov hlajenja so potrebni dovolj natančni in hitri prediktivni numerični modeli. Na podlagi rezultatov numeričnih simulacij bomo za najbolj obetaven koncept hlajenja izdelali primeren testni model hladilnega elementa in njegove karakteristike preverili z eksperimentom, ki bo ustrezal različnim scenarijem toplotnih obremenitev v reaktorju DEMO. Poleg pričakovanih topltnih obremenitev med obratovalnim scenarijem bomo preračunali in napovedali tudi toplotne obremenitve diverterja med nezgodo izgube aktivnega hlajenja divrtorkih kaset. Raziskovalni projekt zasleduje tri glavne cilje, ki jih pokrivajo trije delovni sklopi oz. faze projekta.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani. Povezava na SICRIS.
Faze projekta
1. Faza: Razvoj in validacija naprednih hitrih prediktivnih turbulentnih modelov
Glavni cilj prve faze projekta je razvoj učinkovitega modela turbulence za simulacije naletavanja curkov, ki bo temeljil na URANS metodi (ang. Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes). URANS simulacije bomo primerjali s časovno povprečenimi rezultati simulacij z metodo velikih vrtincev (ang. Large Eddy Simulation - LES). Primerjali bomo polja hitrosti, turbulence in karakteristike prenosa toplote. Glavni rezultat te faze bo izboljšan hitri prediktivni turbulentni model z natančnostjo napovedi koeficienta prenosa toplote pod 10%. Pri raziskavah se bomo osredotočili na kombinacijo URANS modela turbulence, redkejših numeričnih mrež in krajših računskih časov kot v primeru LES, ki bo v primerjavi z eksperimentom in referenčno LES simulacijo dala dovolj natančne rezultate. Tovrstne simulacije ne potrebujejo visoko zmogljivih super-računalnikov z več tisoč računskimi jedri, ampak lahko tečejo dovolj hitro tudi na nekaj sto procesorjih, npr. na računalniški gruči, ki je na voljo na Odseku za Reaktorsko Tehniko, IJS.
2. Faza: Razvoj učinkovite rešitve hlajenja tarče diverterja
Cilj raziskav v drugi fazi je razvoj izboljšanega koncepta hlajenja tarče DEMO diverterja. Napredni turbulentni model, razvit v prvi fazi bo uporabljen za izvedbo numeričnih analiz različnih variant koncepta hlajenja tarče. Predlagana zasnova hladilnega elementa mora prenesti toplotne obremenitve nad 10 MW/m2, ki so tipične med obratovanjem DEMO reaktorja. Hladilni elementi morajo biti narejeni tako, da se jih da združevati in dovolj enostavno vgraditi v tarčo diverterja. Temperaturni razpon uporabnosti strukturnega materiala mora biti kompatibilen z območjem temperatur dveh možnih hladil (voda ali helij) med 300 in 600 oC. Načrtujemo izdelavo testnega prototipa hladilnega elementa in njegovo testiranje v eksperimentalnih napravah JUDITH (Forschungszentrum Juelich, Nemčija) ali KATHELO (Karlsruhe Institute of Technology, Nemčija).
3. Faza: Toplotna obremenitev kasete diverterja med izgubo aktivnega hlajenja
V tretji fazi projekta bo naš cilj verodostojna napoved pregrevanja strukturnih materialov DEMO diverterja med popolno izgubo hlajenja. Analizirali bomo primer toplotne obremenitve kasete diverterja brez aktivnega hlajenja, takoj po zaustavitvi reaktorja. Podobno stanje se pojavi tudi med redno menjavo izrabljene kasete, ko jo odklopimo od hladilnega sistema. Kaseta divertorja se začne pregrevati zaradi zaostale toplote v strukturnih materialih. Toplotno sevanje aktivno hlajenih površin okoliških komponent in naravna konvekcija okoliškega plina tako predstavljata edini način hlajenja kasete. Za natančen izračun procesov prenosa toplote je potrebno uporabiti metode sklopljenega prenosa toplote med fluidom in trdnino. Natančna časovno odvisna simulacija temperaturne porazdelitve v kaseti diverterja je pomembna tako za zasnovo kasete in tudi za načrtovanje postopkov menjave kaset diverterja.