Hlajenje in razvoj visoko toplotno obremenjenih komponent fuzijskih reaktorjev

 

Hlajenje diverterja s helijevimi curki

Simulacija mejne plasti ob greti plošči (črna barva) pri hlajenju s turbulentnimi curki (modra barva).

 

Hlajenje s turbulentnimi plinskimi curki je eden bolj obetavnih načinov hlajenjenja tarče diverterja v DEMO reaktorju. Natančne in računsko zelo zahtevne simulacije z metodo velikih vrtincev – Large Eddy Simulation – LES omogočajo razumevanje vpliva dinamike toka curkov na prenos toplote s hlajenih površin. Z numeričnimi simulacijami smo popisali nestabilno dinamiko toka tik ob ogrevani površini ter razložili mehanizme medsebojnega vpliva tokovnih struktur in lokalnega prenosa toplote.

 

Razvoj vodno-hlajenih diverterskih tarč za fuzijske reaktorje

Levo: Model elementa tarče vodno-hlajenega diverterja W7-X. Desno: simulacije toka v hladilnem kanalu elementa.

 

Za stelarator W7-X, ki obratuje v Greisfwaldu, Nemčija smo s pomočjo numeričnih simulacij analizirali učinkovitost hlajenja vodno-hlajenih tarč med normalnih obratovanjem. Poleg tega za primer ekstremnih toplotnih obremenitev razvijamo tudi numerične modele za simulacije vrenja v hladilnih kanalih tarč. Z  ENEA sodelujemo tudi pri razvoju diverterskih enot za novi fuzijski tokamak »Divertor Tokamak Test facility« (DTT), ki bo zgrajen v Frascatiju, v Italiji, kjer poleg termičnih obremenitev simuliramo tudi termo-mehanske obremenitve in deformacije komponent.

 

Razvoj kalorimetra za fuzijski tokamak DTT

        Levo: Divertor Test Tokamak (DTT) - pred-konceptni dizajn. Desno: model enega panela kalorimetra.

 

Za fuzijski tokamak DTT smo razvili tudi zasnovo kalorimetra za sistem vbrizgavanja nevtralnih žarkov v vakuumsko posodo. Kalorimeter je v osnovi sestavljen iz dveh premičnih panelov, ki prevzemata in odvajata visoko gostoto toplotnega toka vpadnih devterijevih atomov. Dizajn temelji na pričakovani porazdelitvi moči nevtralnih žarkov, termo-hidravličnih parametrih in geometrijskih omejitvah. Z izvirno dvo-stopenjsko metodo skaliranja rezultatov podrobnih CFD simulacij smo optimizirali geometrijo, napovedali temperaturne porazdelitve po strukturi celotnega panela in s pomočjo termo-mehanskih analiz (ABAQUS) simulirali lokalne napetosti in deformacije v panelih. Delo smo izvedli v sodelovanju s centrom Consorzio RFX (Italija).

 

Termične analize diagnostike v fuzijskih reaktorjih

Levo: Sonda z zaščitnim tulcem za diagnostiko fuzijske plazme v tokamaku AUG. Desno: Termični model zgornjega dela sonde – temperaturna porazdelitev v grafitnem plašču.

 

Razvili smo numerični model za analizo termičnega odziva nove večnamenske sonde za diagnostiko robne plazme v tokamakih TCV (Tokamak à Configuration Variable) v Švici in AUG (Asdex Upgrade) v Nemčiji. V računalniškem modelu smo upoštevali toplotne obremenitve zaradi nabitih delcev v robni plazmi in toplotno upornost med plaščem in kapo zaščitne grafitne obloge sonde. Rezultati numeričnih simulacij so pokazali, da tudi pri več zaporednih potopitvah sonde v fuzijsko plazmo, kritične temperature v vitalnih delih sonde ne bodo presežene. Tako smo dokazali, da da je konstrukcija nove sonde v celoti primerna za diagnostiko fuzijske plazme.

 

Izbrane objave:

• TARFILA, Patrik, KONČAR, Boštjan, GARRIDO, Oriol Costa, DOSE, Giacomo, GIORGETTI, Francesco, ROCCELLA, Selanna. Development of a thermohydraulic model For DTT PFU. 31st International Conference Nuclear Energy for New Europe : proceedings : September 12-15, Portorož. Ljubljana: Nuclear Society of Slovenia, 2022. Str. 1012.1.-1012.8. [COBISS.SI-ID 135022083]
• 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. [Print ed.]. 2021, vol. 170, str. 112469-1-112469-6. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112469. [COBISS.SI-ID 56957443]
• KONČAR, Boštjan, DRAKSLER, Martin, KOVAČIČ, Jernej, SCHNEIDER, Bernd Sebastian, IONIŢǍ, Codrina, GYERGYEK, Tomaž, KAR-WAI TSUI, Cedric, SCHRITTWIESER, Roman. Analysis of thermal response of new diagnostic probe in TCV. Fusion engineering and design. 2020, vol. 156, str. 111744-1-11744-4. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.111744. [COBISS.SI-ID 14775043]
• KONČAR, Boštjan, GARRIDO, Oriol Costa, DRAKSLER, Martin, HERRMANN, A., KOVAČIČ, Jernej, IONIŢǍ, Codrina, SCHRITTWIESER, Roman. Analysis of thermal and structural responses of a new diagnostic probe to repeated exposure in ASDEX upgrade tokamak. Fusion engineering and design. 2020, vol. 161, str. 112047-1-112047-11. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.112047. [COBISS.SI-ID 35267331]
• DRAKSLER, Martin, KONČAR, Boštjan, CIZELJ, Leon. On the accuracy of Large Eddy Simulation of multiple impinging jets. International journal of heat and mass transfer. 2019, vol. 133, str. 596-605. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.12.125. [COBISS.SI-ID 31988007]
• SCHNEIDER, Bernd Sebastian, KOVAČIČ, Jernej, GYERGYEK, Tomaž, KONČAR, Boštjan, DRAKSLER, Martin, COSTEA, Stefan, et al. New diagnostic tools for transport measurements in the Scrape-Off Layer (SOL) of medium-size tokamaks. Plasma physics and controlled fusion. 2019, no. 5, vol. 61, 12 str., DOI: 10.1088/1361-6587/ab0596. [COBISS.SI-ID 32121383]
• DRAKSLER, Martin, KONČAR, Boštjan, CIZELJ, Leon, NIČENO, Bojan. Large Eddy Simulation of multiple impinging jets in hexagonal configuration : flow dynamics and heat transfer characteristics. International journal of heat and mass transfer. 2017, vol. 109, str- 16-27. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.01.080. [COBISS.SI-ID 30239783]