Integrated multi-physics design tool for fusion breeding blanket systems - development and validation
Creators: name: Spagnuolo, Gandolfo Alessandro
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2020
Subjects: Breeding Blanket
DEMO Reactor
coupling
neutronic
thermal-hydraulic
thermo-mechanic
multi-physics

description: Das Brut-Blanket (BB) des DEMO-Reaktors ist ein anspruchsvolles System in gefährlicher Umgebung. Es unterliegt nukleartechnischen, thermisch-strukturellen sowie material- und sicherheitsrelevanten Anforderungen und Voraussetzungen, und seine komplexe Auslegung bedingt den Einsatz hochentwickelter multiphysikalischer Simulationstools. Diese Tools müssen die gleichzeitige Durchführung verschiedener Analysen erlauben. Drei dieser Analyseverfahren, nämlich das nukleare, das thermofluiddynamische und das thermomechanische Verfahren, können priorisiert und als vorbereitend für die Untersuchung aller weiteren Fragen im Zusammenhang mit dem Brut-Blanket betrachtet werden. Diese Dissertation schlägt einen die drei Säulen der Brut-Blanket-Auslegung (Neutronik, Thermohydraulik und Thermomechanik) umfassenden multiphysikalischen Ansatz vor. Zur Gewährleistung einer gesamtheitlichen Beurteilung der volumetrischen Wärmelasten, der thermischen Leistungen von Kühlmittel und Strukturmaterial sowie der Spannungs- und Verformungszustände müssen die entsprechenden Analysen im Verbund durchgeführt werden. Die Strategie zur Bewältigung dieser Herausforderung besteht in der Entwicklung eines CAD-zentrierten und lose gekoppelten Verfahrens für die Auslegung des Brut-Blankets mit Hilfe der Teilmodellierungstechnik MAIA (Multi-physics Approach for Integrated Analysis). Die Architektur von MAIA basiert auf der Verwendung validierter Codes und der Minimierung der Anzahl dieser Codes. Das Verfahren gliedert sich in zehn Hauptschritte, angefangen mit der Umwandlung des generischen CAD-Modells in ein für die Neutronen-/Photonentransportanalyse geeignetes Format, der kerntechnischen Analyse zur Beurteilung der volumetrischen Erwärmung und der Beurteilung der Temperatur- und Geschwindigkeitsfelder innerhalb von Kühlmittel und Strukturmaterial über die Bewertung der Verschiebungs-, Verformungs- und Spannungsfelder, die quantitative Bewertung der Erzeugung von Stickstoffisotopen durch Sauerstoffaktivierung des Wasser bis hin zur Berechnung der Konzentrationsverteilung unter Berücksichtigung der Auswirkungen des passiven konvektiven Transports. Allen Schritten gemeinsam sind die geometrischen Details und die Übereinstimmung zwischen Input- und Output-Parametern. Das neue MAIA-Verfahren unterscheidet sich vom konventionellen Kopplungsansatz in drei wesentlichen Aspekten: 1. Modelle und Lasten werden nicht homogenisiert. 2. Lastgradienten können mit hoher Auflösung in drei Richtungen für alle relevanten Analysen ohne übermäßigen Rechenaufwand erfasst werden. 3. Die Übereinstimmung zwischen den drei Analyseverfahren und die Kongruenz zwischen Inputs und Outputs wird gewährleistet. Der durch die CAD-zentrierte Funktion des MAIA-Verfahrens erforderliche Rechenaufwand bedingt allerdings die Darstellung von Teilen des Brut-Blankets und damit die Definition und Validierung von Randbedingungen für jede durchgeführte Berechnung. In Bezug auf die kerntechnische Analyse hat sich gezeigt, dass die relevanten Reflexions- und Weißzustände in poloidaler bzw. toroidaler Richtung zusammen mit dem Vorhandensein des Vakuumbehälters und der Definition lokaler Neutronen- und Photonenquellen zu einer Diskrepanz von -0,48 % in Bezug auf die aufgenommene Leistung zwischen DEMO-Reaktor und lokalen (z.B. Scheiben-)Modellen führen. Die neutronenphysikalischen Symmetriebedingungen gelten für das gesamte Modul einschließlich der Scheiben in der Nähe der Caps. Es wurde eine Sensitivitätsanalyse im Hinblick auf die Winkelverteilung der lokalen Neutronen- und Photonenquelle durchgeführt, die in 10 Cosinus-Bins die optimale Diskretisierung in Bezug auf den Kompromiss zwischen der Genauigkeit der erhaltenen Ergebnisse und den Ergebnissen des Referenzmodells und dem entsprechenden Rechenaufwand angibt. Bei der Analyse der thermohydraulischen Randbedingungen wurde festgestellt, dass die Beeinflussung der Temperaturverteilung durch die Abweichung der Massenströme (zwischen ~-1,3 % und ~0,6 %) und die Leistungsdichteschwankungen (bis zu ~6 % in den benachbarten Bereichen) weniger als ±2,4 % beträgt. Dies belegt die Anwendbarkeit der poloidalen Symmetriebedingungen. Im Verlauf der thermomechanischen Analysen wurden die Randbedingungen (d.h. radiale und toroidale Verschiebungen, die an den Knoten auf der Rückseite der hinteren Stützstruktur in toroidaler und poloidaler Richtung verhindert werden, Symmetrie an der unteren sowie generalisierter ebener Verformungszustand an der oberen Schnittfläche) bestimmt, die zu einer Diskrepanz in Bezug auf die Verschiebung im Teilmodell zwischen -6 % und 4 % und einer konservativen Bewertung der primären und sekundären Membran- und Biegespannungen führen. Darüber hinaus wurden die Auswirkungen der Temperaturschwankungen untersucht.Dabei zeigten sich Schwankungen der Gesamtverformung zwischen -0,3 % und 1,7 %, Schwankungen der äquivalenten Membranspannung von bis zu 15 % und Schwankungen der äquivalenten Biegespannung zwischen -7 % und 5 %. Das MAIA-Verfahren wurde anschließend zur Bewertung diverser Auswirkungen auf die Auslegung des Brut-Blankets herangezogen. Dabei wurden einige Kritikpunkte offenbar. Insbesondere zeigen die strömungsdynamischen Ergebnisse Überschreitungen der Grenztemperatur. Hierfür konnten keine geeigneten Konstruktionslösungen gefunden werden. Diese Nichteinhaltung der thermohydraulischen Anforderungen führt darüber hinaus zu sehr hohen, die Segmentstabilität möglicherweise gefährdenden Werten der von-Mises-Vergleichsspannungen. Im Hinblick auf das oben Gesagte kann das MAIA-Verfahren als Referenztool für die Auslegung des Brut-Blankets verwendet werden. Darüber hinaus hat das Verfahren die Möglichkeit aufgezeigt, sowohl wichtige zur Bestimmung der zulässigen Spannung und zur Erfüllung der Auslegungskriterien erforderliche Variablen wie den Neutronenfluss und die Temperatur als auch Primär- und Sekundärspannungen lokal abzubilden. Zur weiteren Veranschaulichung der Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit des MAIA-Verfahrens wurde das Problem der Wasseraktivierung innerhalb des Blanket Primary Heat Transfer Systems (PHTS) untersucht. Mit MAIA konnten die Auswirkungen der Strömung auf die Stickstoffkonzentration berücksichtigt und nützliche Informationen für die Entwicklung der Brut-Blanket-Auslegung und des PHTS geliefert werden.