Numerične analize sistemov DEMO tokamaka

Termično ščitenje superprevodnih magnetov v DEMO reaktorju

Levo: Numerični model termičnih ščitov reaktorja DEM. Desno: Določitev optimalne delovne temperature termičnih ščitov s pomočjo teoretičnega modela.

Razvili smo koncept termičnega ščitenja reaktorja DEMO. Glavna naloga termičnih ščitov je zmanjšati toplotno sevanje z vročih struktur (vakuumska posoda obratuje pri 200 °C, kriostat pri sobni temperaturi), na superprevodne magnete, ki so hlajeni s tekočim helijem pri -269°C. Izvedli smo termično analizo integriranih DEMO sistemov z dvema glavnima ciljema: prvi cilj je bil izračun statičnih toplotnih obremenitev superprevodnih magnetov in termičnih ščitov med normalnim obratovanjem, drugi cilj pa je bil določitev optimalne delovne temperature termičnih ščitov z namenom zmanjšanja skupne hladilne moči, potrebne za aktivno hlajenje magnetov in termičnih ščitov. Za parametrične izračune optimalne delovne temperature termičnih ščitov smo uporabili tako numerične analize kot tudi analitično modeliranje.

CFD analiza hipotetične nezgode vdora helija v kriostat

Levo: CFD simulacija toka helija Desno: Temperature na steni kriostata med hipotetično nezgodo vdora helija v kriostat.

Za DEMO reaktor smo analizirali hipotetično nezgodo vdora helija v kriostat, ki predpostavi zlom cevi za kriogensko hlajenje superprevodnih magnetov. Po vdoru helija se med toplimi stenami kriostata in hladnimi strukturami magnetov in ščitov vzpostavi naravna konvekcija helija, ki prenaša toploto iz sten kriostata na hladne strukture magnetov. Pri simulacijah naravne konvekcije v kriostatu smo upoštevali prehajanje helija skozi labirintna tesnila termičnih ščitov in nižjo temperaturo hlajenja sten vakuumske posode, ki bistveno vplivata na temperaturne porazdelitve v stenah kriostata.

Analiza pasivnega hlajenja komponent DEMO reaktorja med menjavo

Levo: CAD model transportne komore pri transportu elementa obloge. Sredina: CFD model z numerično mrežo. Desno: Hlajenje z naravno konvekcijo zraka – tokovnice obarvane v temperaturni skali

Za reaktor DEMO smo izvedli analizo toplotnih obremenitev oplodnih oblog vakuumske posode med njihovo menjavo v transportni komori. S pomočjo tranzientnih CFD simulacij smo analizirali učinkovitost hlajenja oblog z naravno konvekcijo zraka v komori. Z naravno konvekcijo odvajamo toploto iz komponent, ki se grejejo zaradi zaostale toplote v aktiviranem materialu. Razvili smo poenostavljen eno-točkovni model odvoda toplote, ki smo ga umerili s CFD rezultati. V parametrični študiji smo z eno-točkovnim modelom preučili vpliv učinkovitosti zunanjega hlajenja transportne komore na potek ohlajanja zamenjanih aktiviranih oplodnih oblog.

Izbrane objave:

• DRAKSLER, Martin, ČRNE, Primož, KONČAR, Boštjan, BACHMANN, Christian, CIATTAGLIA, Sergio, MUSCATO, Ivo. Natural convection cooling in DEMO vacuum vessel during EX-VV LOCA. 31st International Conference Nuclear Energy for New Europe : proceedings : September 12-15, Portorož. Ljubljana: Nuclear Society of Slovenia, 2022. Str. 1015.1.-1015.8. [COBISS.SI-ID 135035651]
• 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. 2021, vol. 173, str. 112891-1-112891-12. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2021.112891. [COBISS.SI-ID 83035651]
• 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. 2020, vol. 158, str. 111752-1- 111752-13. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2020.111752. [COBISS.SI-ID 16829187]
• KONČAR, Boštjan, GARRIDO, Oriol Costa, DRAKSLER, Martin, BROWN, Richard, COLEMAN, Matti. Initial optimization of DEMO fusion reactor thermal shields by thermal analysis of its integrated systems. Fusion engineering and design. 2017, vol. 125, str. 38-49. DOI: 10.1016/j.fusengdes.2017.10.017. [COBISS.SI-ID 30903847]