Projekti / Programi
Koncepti učinkovitega hlajenja visoko toplotno obremenjenih komponent v fuzijskem reaktorju
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.03.00 |
Tehnika |
Energetika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T140 |
Tehnološke vede |
Energijske raziskave |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
fuzijski reaktor, koncepti učinkovitega hlajenja, modeli prenosa toplote, modeliranje turbulence
Raziskovalci (7)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.706 |
Povzetek
Razvoj tarč diverterja je eden največjih izzivov pri načrtovanju reaktorja ITER in bodočih fuzijskih elektrarn, predvsem DEMO reaktorja. Tarča diverterja mora zdržati visoke toplotne obremenitve, v območju 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. Koncept hlajenja diverterja s helijem je namreč dolgoročno prepoznan kot eden najbolj obetavnih konceptov za fuzijsko elektrarno DEMO. Poleg visoke izhodne temperature, ki omogoča učinkovito pretvorbo v električno energijo, je helij v prednosti tudi zaradi kemijske združljivosti s fuzijskimi materiali in možnosti prilagajanja temperature hladila različnim obratovalnim območjem konstrukcijskih materialov.
Osnovnii cilj predlaganega projekta je tako razvoj koncepta učinkovitega hlajenja tarč diverterja s helijem. Za konceptualne in optimizacijske študije različnih konceptov hlajenja so potrebni dovolj natančni in hitri prediktivni numerični modeli. Na podlagi rezultatov numeričnih simulacij bomo za najbolj obetaven koncept hlajenja izdelali testni model hladilnega elementa in njegove karakteristike preveriti v eksperimentu, ki ustreza pogojem toplotnih obremenitev v DEMO reaktorju. Poleg normalnih obratovalnih pogojev je potrebno oceniti tudi toplotne obremenitve diverterja med izgubo aktivnega hlajenja. Raziskovalni projekt zasleduje tri osnovne cilje, ki jih pokrivajo trije delovni sklopi:
Glavni cilj prvega delovnega sklopa je razvoj modela turbulence za simulacije naletavanja curkov, ki bo temeljil na URANS metodi. URANS simulacije bomo primerjali s časovno povprečenimi rezultati že opravljenih LES simulacij. Primerjali bomo polja hitrosti, turbulence in karakteristike prenosa toplote. Pričakovan rezultat tega delovnega sklopa je izboljšan hitri prediktivni turbulentni z negotovostjo napovedi koeficienta prenosa toplote pod 10%.
Cilj drugega delovnega sklopa je izboljšani koncept hlajenja tarče DEMO diverterja. Napredni turbulentni model, razvit v prvem delu projekta, bo uporabljen za izvedbo numeričnih analiz različnih variant koncepta hlajenja tarče. Predlagani dizajn hladilnega elementa mora prenesti toplotne obremenitve nad 10 MW/m2, značilne za DEMO reaktor. Hladilni elementi morajo biti izdelani tako, da se jih da združevati in dovolj enostavno vgraditi v tarčo diverterja. Temperaturni razpon uporabnosti strukturnega materiala mora biti kompatibilen z nižjo temperaturo helija med 400 in 500 oC. V sodelovanju Institutom Karlsruhe Institute of Technology (KIT) je načrtovana izdelava testnega modela hladilnega elementa in njegovo eksperimentalno testiranje.
Cilj tretjega sklopa je napoved pregrevanja strukturnih materialov DEMO diverterja med popolno izgubo hlajenja. Analizirani primer obravnava toplotno obremenitev kasete diverterja brez aktivnega hlajenja, takoj po zaustavitvi reaktorja. Takšno stanje se bo pojavilo tudi med redno menjavo odslužene kasete, ki bo takrat odklopljena od hladilnega sistema. Kaseta divertorja se začne pregrevati zaradi zaostale toplote v strukturnih materialih. Toplotno sevanje aktivno hlajenih površin okoliških komponent tako predstavlja edini način hlajenja kasete. Za natančen izračun toplotnega sevanja bomo uporabili in verificirali primerne simulacijske metode.
Pomen za razvoj znanosti
Razvoj koncepta hlajenja diverterja je eden od ključnih izzivov, na poti do fuzijskega elektrarne, kjer je potrebna visoka stopnja mednarodnega sodelovanja. Program EUROfusion vzpostavlja trdno podlago usklajenih ciljno orientiranih skupnih raziskav, ki morajo biti podprte z nacionalnimi raziskovalnimi projekti. Rezultati predlaganega projekta bodo neposredno vplivali na razvoj diverterja za fuzijski reaktor DEMO. Projekt je tako v celoti usklajen z evropskim programom EUROfusion in dopolnjuje ter krepi naše sodelovanje v EUROfusion projektih.
Rezultati raziskav pomemben doprinos k znanosti na področjih modeliranja turbulence, prenosa toplote ter računalniškega modeliranja dinamike tekočin. Optimizacija hlajenja diverterja bo prav tako pomembno vplivala na široko področje na široko področje učinkovitega hlajenja komponent z visoko toplotno obremenitvijo na enoto površine. Nenazadnje bo uspešna izvedba predlaganih raziskav povečala ugled slovenskih raziskovalcev v mednarodnem prostoru.
Pomen za razvoj Slovenije
The development of the divertor concept is one of the main challenges on the way towards the fusion power plant, where high collaborative research is needed. The European joint program EUROfusion provides firm basis for coordinated collaborative research that needs to be complemented by national research activity. The results of this project will directly impact the divertor development for DEMO fusion reactor. Hence, the project is fully in-line with the EUROfusion program and is expected to complement and strengthen our participation in international fusion projects.
The project results are expected to have much broader impact contributing to the scientific fields of turbulence and heat transfer modelling and to the computational fluid dynamics simulations. The results of divertor optimisation studies will further contribute to the development of efficient cooling of components subjected to a high surface heat loads. Last but not least, the project results will increase the reputation of Slovenian researchers within the international scientific community.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
