Computational approaches for nuclear design analyses of the stellarator power reactor HELIAS
Creators: name: Häußler, André
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: Stellarator
Fusion
Neutronics
MCNP
CAD
DAGMC

description: Der Helical-Axis Advanced Stellarator (HELIAS) ist ein konzeptioneller Entwurf eines nach dem Stellarator Konzept operierenden Fusionsleistungsreaktor, der vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) Greifswald mit einer thermischen Fusionsleistung von 3000 MW entwickelt wurde. Die Form des Stellarators ist durch nicht-planare Magnetfeldspulen charakterisiert, die ein Plasma einschließendes Magnetfeld erzeugen. Für das HELIAS 5-B Reaktordesign wird eine erste umfassende Monte Carlo (MC) basierte Neutronik Designanalyse mit dem Monte Carlo N-Particle (MCNP) Strahlentransportcode durchgeführt, um wichtigen nukleare Kenngrößen wie die Neutronenwandbelastung (NWL), die Neutronenflussverteilung, die Tritium-Brutrate (TBR) und das Abschirmvermögen zu ermitteln. Die komplexe toroidal verdrillte HELIAS Stellaratorgeometrie wird vollständig durch Oberflächen höherer Ordnung beschrieben, welche der Form des Magnetfeldes folgen und von einem CAD-Modell in ein MCNP-Modell übertragen werden müssen. Es wurden drei verschiedene Möglichkeiten zur Geometriekonvertierung untersucht, wobei die facettierte Geometrie, die durch ein trianguliertes Oberflächennetz auf der CAD-Geometrie im Direct Accelerated Geometry Monte Carlo (DAGMC) Ansatz als die vielversprechendste Option angesehen wird, da sie die komplexe Geometrie ohne Einschränkungen nutzen kann. Für die neutronenphysikalische Charakterisierung von HELIAS wurde das ursprüngliche CAD-Modell in radialer Richtung in unterschiedliche funktionelle Schichten aufgeteilt und mit homogenisierten Materialmischungen gefüllt, basierend auf dem Helium Cooled Pebble Bed (HCPB) Brutblanket Konzept, der Stützstruktur, dem Vakuumbehälter und der Abschirmung. Die NWL Verteilung zeigt eine Variation der Belastung über die gesamte erste Wand mit einer Spitzenlast von 1.93 MW/m^2 und einer Durchschnittslast von 0.95 MW/m^2. Die Neutronenflussverteilung hat einem maximalen Wert innerhalb der Plasmakammer von 4*10^14 n/cm^2/s, die durch das Blanket und den Vakuumbehälter auf 10^10 n/cm^2/s abgeschwächt wird. Die TBR in dieser Konfiguration beträgt ~1.38; ein eher optimistischer Wert, welcher auf die Anwendung von homogenisierten Materialmischungen zurückzuführen ist. Die Reaktorkomponenten müssen ein ausreichendes Abschirmvermögen aufweisen, um strahlungsempfindliche Bauteile zu schützen. Die Abschwächung des Neutronenflusses um vier Größenordnungen durch die verwendete Abschirmung führt zur Erhöhung des statistischen Fehlers, der die Anwendung von Varianzreduktionsverfahren erforderlich macht. Die Abschirmberechnungen basierend auf der Technik der gitterbasierten Weight Window Verfahrens wurden in einem Bereich mit einem NWL von ~1.35 MW/m^2 und einer geringen radialen Baudicke von ~1.0 m durchgeführt. Die für den EU-Tokamak-Fusionsreaktor DEMO definierten Grenzwerte bezüglich des Abschirmvermögens können von HELIAS in dem aktuellen Design nicht erfüllt werden.Es wird deutlich, dass hier signifikante Verbesserungen der Abschirmung erforderlich sind, die durch die Erhöhung der radialen Abschirmungsschichtdicke und/oder der Anwendung fortschrittlicher Abschirmmaterialien erreichbar sind. Die hier vorgestellte Arbeit präsentiert erstmals eine umfassende neutronenphysikalische Untersuchung eines auf dem Stellaratorprinzip beruhendem Leistungsreaktors am Beispiel des HELIAS-Designs, die auf einer verifizierten numerischen Methodik für den Strahlungstransport basiert. Dieser Ansatz ist für zukünftige neutronenphysikalische Anwendungen für diesen Reaktortyp anwendbar. Er ermöglicht die Entwicklung optimierter Brutblanket-Konzepte und fortschrittlicher Strahlungsabschirmungen, die für einen Fusionsreaktor unverzichtbar sind.