Holistic fuel cycle modelling of a future fusion reactor = Holistische Modellierung des Brennstoffkreislaufs eines zukünftigen Fusionsreaktors
Creators: name: Hörstensmeyer, Yannick Nicolas
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Fusion Fuel Cycle
DEMO
Simulation
Tritium
Hydrogen Isotopes
Hydrogen Isotopologues
Mass balance
Aspen Custom Modeler
Palladium Permeator
Isotope Separation
Cryogenic Distillation
Water Detritiation

description: Die Gewinnung elektrischer Energie mittels magnetisch eingeschlossener Fusion stellt eine noch unerschlossene Quelle dar, dessen Verwirklichung derzeit weltweit vorangetrieben wird. Diese Arbeit beschreibt einen essenziellen Bestandteil der Infrastruktur eines solchen Kraftwerkes in einer umfassenden Simulation: den Brennstoffkreislauf. Dabei handelt es sich um eine komplexe chemische Anlage, die im Wesentlichen die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium als Edukte zur Fusion bereitstellt. Um die Konzentration des Fusionsprodukts Helium im Reaktor zu begrenzen, ist der Durchsatz des Brennstoffgemischs wesentlich höher als die Reaktionrate der Fusion selbst. Infolgedessen stellt unverbrannter Wasserstoff den überwiegenden Teil der Prozessgases am Reaktorausgang dar. Der Brennstoffkreislauf muss sicherstellen, dass dieser Wasserstoff mit hoher Effizienz aus dem Abgasstrom zurückgewonnen und wiederverwertet werden kann. Dafür muss das Prozessgas erst mittels Vakuumpumpen aus dem Reaktor gesaugt werden. Anschließend wird der Wasserstoff über verschiedene Trennprozesse aus dem Abgasgemisch gefiltert. Schließlich wird das Wasserstoffgemisch dem Reaktor wieder zugeführt. Im Detail werden in dieser Arbeit zuerst die Funktion und der Aufbau des Inneren Brennstoffkreislaufes für das Demonstrationskraftwerk DEMO aus dessen Randbedingungen hergeleitet. Danach werden die relevanten physikalischen Zusammenhänge der verwendeten Technologien beschrieben und als eigenständige Modelle in das Simulationsprogramm integriert. Besonderer Fokus liegt dabei auf den physikalischen Wechselwirkungen von Wasserstoff mit sich selbst, Flüssigkeiten wie Wasser sowie verschiedenen Metallen, die die Grundlage der verwendeten Trennprozesse bilden. Zur Einbindung aller Subsysteme bildet das Simulationsprogramm den kompletten Kreislauf transient in der kommerziellen Software ASPEN® Custom Modeler ab. So können das Verhalten am Betriebspunkt, während des Anfahrprozesses und für veränderliche Randbedingungen abgebildet werden. Insbesondere die Verwendung von Tritium beeinflusst das Design des Brennstoffkreislaufes. Das Inventar dieses seltenen und radioaktiven Isotopes ist auf ein Mindestmaß zu beschränken. Gleichzeitig darf nur ein Bruchteil des Tritiums in die Atmosphäre entweichen. Entsprechend hohe Anforderungen werden an die einzelnen Elemente des Kreislaufes gestellt. Anhand eines repräsentativen Referenzpunktes wird eine Optimierung des Brennstoffkreislaufs nach seinen Hauptdesignkriterien durchgeführt. Aus der Betrachtung des Gesamtsystems ergibt sich dabei ein geschätzter Tritiumverlustterm in Höhe von 1.6 g pro Jahr, der im Verhältnis zu einem operativen Tritiuminventar von 6.3 kg steht. Die einzelnen Beiträge zu dem Gesamtinventar werden hergeleitet und sind zum großen Teil in flüssiger Form oder in Feststoffbetten vorzufinden. Mithilfe von Massenbilanzen wird, unter Berücksichtigung der Verlustterme, der Einfluss jedes Teilsystems auf den Referenzpunkt diskutiert. In einer Parameterstudie werden dann die wichtigsten Randbedingungen des Brennstoffkreislaufs variiert und entsprechende Anpassungsmöglichkeiten des Systems beschrieben. Das Ergebnis dieser Arbeit ist ein umfassendes, modular aufgebautes und fundiertes Werkzeug zur Optimierung zukünftiger Brennstoffkreisläufe.