= Koncepti učinkovitega hlajenja visoko toplotno obremenjenih komponent v fuzijskem reaktorju =
<
> ''[[ARRSProjekti/2018/SeznamARRSProjekti2018|Nazaj na seznam za leto 2018]]''
----
=== 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 ===
{{attachment:ARRS_logotip.jpg|© Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije|height="150"}}
=== Projektna skupina ===
Vodja projekta: '''dr. Boštjan Končar'''
Raziskovalci: [[https://www.sicris.si/public/jqm/search_basic.aspx?lang=slv&opdescr=search&opt=2&subopt=1&code1=cmn&code2=auto&search_term=končar%20boštjan|dr. Boštjan Končar]], [[https://www.sicris.si/public/jqm/search_basic.aspx?lang=slv&opdescr=search&opt=2&subopt=1&code1=cmn&code2=auto&search_term=martin%20draksler|dr. Martin Draksler]], [[https://https://www.sicris.si/public/jqm/search_basic.aspx?lang=slv&opdescr=search&opt=2&subopt=1&code1=cmn&code2=auto&search_term=matej%20tekavčič|dr. Matej Tekavčič]], [[https://www.sicris.si/public/jqm/search_basic.aspx?lang=slv&opdescr=search&opt=2&subopt=1&code1=cmn&code2=auto&search_term=rok%20krpan|Rok Krpan]], [[https://www.sicris.si/public/jqm/search_basic.aspx?lang=slv&opt=2&subopt=1&opdescr=search&code1=cmn&code2=auto&search_term=cizelj%20leon|prof.dr. Leon Cizelj]], [[https://www.sicris.si/public/jqm/search_basic.aspx?lang=slv&opdescr=search&opt=2&subopt=1&code1=cmn&code2=auto&search_term=iztok%20tiselj|prof.dr. Iztok Tiselj]]
Tehnični sodelavec: [[https://www.sicris.si/public/jqm/search_basic.aspx?lang=slv&opdescr=search&opt=2&subopt=1&code1=cmn&code2=auto&search_term=sandi%20cimerman|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. [[https://www.sicris.si/public/jqm/search_basic.aspx?lang=slv&opdescr=search&opt=2&subopt=1&code1=cmn&code2=auto&search_term=J2-9209|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.
=== Bibliografske reference ===
* [[https://www.sicris.si/public/jqm/prj.aspx?lang=slv&opdescr=search&opt=2&subopt=400&code1=cmn&code2=auto&psize=1&hits=1&page=1&count=&search_term=končar%20boštjan&id=17285&slng=&order_by=|Reference - SICRIS]]
* [[https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112469|KONČAR, Boštjan, OVTAR, Domen, GARRIDO, Oriol Costa, AGOSTINETTI, Piero. Calorimeter conceptual design for Neutral Beam Injector of DTT - CFD optimisation and thermal stress analysis. Fusion engineering and design, ISSN 0920-3796. 2021, vol. 170, str. 112469-1-112469-6.]]
* [[https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112891|DRAKSLER, Martin, BACHMANN, Christian, KONČAR, Boštjan. Assessment of residual heat removal from activated breeding blanket segment during remote handling in DEMO. Fusion engineering and design, ISSN 0920-3796, 2021, vol. 173, str. 112891-1-112891-12.]]
* [[https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2020.111752|DRAKSLER, Martin, KONČAR, Boštjan, TEKAVČIČ, Matej, BACHMANN, Christian. CFD analysis of the natural circulation of helium in the DEMO cryostat during a leak accident. Fusion engineering and design, ISSN 0920-3796, 2020, vol. 158, str. 111752-1- 111752-13.]]
* [[https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.12.125|DRAKSLER, Martin, KONČAR, Boštjan, CIZELJ, Leon. On the accuracy of Large Eddy Simulation of multiple impinging jets. International journal of heat and mass transfer, ISSN 0017-9310. 2019, vol. 133, str. 596-605.]]
* [[https://plus.si.cobiss.net/opac7/bib/46905347|TARFILA, Patrik, KONČAR, Boštjan, TEKAVČIČ, Matej, NOVAK, Saša, JENUŠ, Petra, KOCEN, Matej. Preliminary simulation of actively cooled divertor mono-blockmade of W-based composite. Proceedings, 29th International Conference Nuclear Energy for New Europe - NENE 2020, Portorož, Slovenia, 2020, str. 508-1-508-8.]]
* [[https://plus.si.cobiss.net/opac7/bib/33181223|KRPAN, Rok, TEKAVČIČ, Matej, KONČAR, Boštjan. Simulation of natural convection of helium in DEMO cryostat using openFOAM. Proceedings, 29th International Conference Nuclear Energy for New Europe - NENE 2020, Portorož, Slovenia, 2020, str. 705.1-705.8.]]
* [[https://plus.si.cobiss.net/opac7/bib/31968807|DRAKSLER, Martin, KONČAR, Boštjan, CIZELJ, Leon. On the capability of scale-adaptive simulation method for multiple impinging jets. Proceedings, 27th International Conference Nuclear Energy for New Europe - NENE 2019, Portorož, Slovenia, 2019, str. 317-1-317-7.]]
* [[https://www.intechopen.com/chapters/59626|KONČAR, Boštjan, KLOBUČAR, Luka. Use of CFD codes for calculation of radiation heat transfer. Heat transfer : models, methods and applications. London: IntechOpen. 2018, str. 23-41.]]
----
[[ARRSProjekti/SeznamARRSProjekti|Nazaj na seznam projektov po letih]]