Abstract:
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. ... mehr
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.
Abstract (englisch):
The Breeding Blanket (BB) of the DEMO reactor represents a harsh system in a dangerous environment.
It has to satisfy engineering requirements and constraints that are of nuclear, thermo-structural, material and safety kind. For these reasons, the application of advanced simulation tools, based on a multi-physics approach, is required for its comprehensive design. These tools have to simultaneously perform different kinds of analyses among which three, and namely nuclear, thermofluid-dynamic and thermo-mechanical, can be prioritized and considered as propaedeutic for the investigation of all the other issues related to the BB.
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In this dissertation, a multi-physic approach, covering the three pillars of the BB design (the neutronics, thermal-hydraulics and thermo-mechanics), is proposed. These analyses have to be conducted in a strongly integrated way, allowing a holistic assessment of volumetric heat loads, thermal performances of coolant and structures as well as their stress and deformation states.
The strategy, followed for the achievement of this challenge, consists of creating a CAD-centric and loosely-coupled procedure for the BB concepts design adopting a sub-modelling technique, named Multi-physics Approach for Integrated Analysis (MAIA). The MAIA procedure bases its architecture on the use of validated codes and the minimisation of their number. It is articulated in 10 main steps that go from the decomposition of generic CAD in a format suitable for neutron/photon transport analysis to the nuclear analysis for the assessment of volumetric heating, from the assessment of temperature and velocity fields within coolant and structure to the evaluation of their displacement, deformation and stress fields, from the evaluation of nitrogen isotopes production rates from water oxygen activation to the calculation of their concentration spatial distribution taking into account the effects of passive convective transport. All the steps share the same geometry details and the consistency between input and output parameters. The new MAIA procedure differs from the conventional coupling approach for three key aspects. First, it does not introduce homogenisations of models and loads. Second, MAIA can capture local load gradients at high resolution in the three directions for all the analysis involved without requiring prohibitive computational efforts. And third, MAIA keeps the consistency between the three analyses maintaining the congruence between inputs and outputs.
However, the computational effort required by the CAD-centric feature of MAIA procedure imposes the representation of BB portions and, therefore, the definition and validation of boundary conditions for each performed calculation.
Regarding the nuclear analysis, it has been found that the set of reflecting and white conditions in the poloidal and toroidal directions, respectively, together with the presence of Vacuum Vessel (VV) and the definition of local neutron and photon source, produces a mismatch of -0.48 % in terms of power deposition between the DEMO and the local (e.g. slice) models. It has been demonstrated that the neutronic symmetry conditions are valid in the entire module up to the last slices nearby the caps. Furthermore, a sensitivity analysis on the angular distribution of local neutron and photon source has been performed indicating in 10 cosine bins the optimal discretisation choice in terms of compromise between the fidelity of the results obtained with respect to those of the reference model and the relevant computational effort.
Concerning the analysis of thermal-hydraulic boundary conditions, it has been found that the variation on mass flow rates (comprised between the ~-1.3 % and the ~0.6 %) as well as power density fluctuation (up to the ~6 % in the neighbouring domains) affect the temperature distribution for less than ±2.4 % demonstrating the applicability of poloidal symmetry conditions.
As far as the thermo-mechanical analyses are concerned, it has been identified the set of boundary conditions (radial and toroidal displacements prevented to the nodes lying in the rear of the back supporting structure along the toroidal and poloidal direction, symmetry at the lower cut surface and Generalised Plane Strain to the top one) that produce a discrepancy in terms of displacement in the sub-model comprised between the -6 % and the 4 % as well as a conservative assessment of membrane and bending stresses both for primary and secondary stresses. The impact of the temperature variation has also been investigated showing that the fluctuations on total deformation are comprised between -0.3 % and the 1.7 %, on equivalent membrane stress up to 15 % while on equivalent bending stress between the -7 % and the 5 %.
As a proof-of-concept, the MAIA procedure has been then used to evaluate the impact on the BB design, demonstrating that some criticalities are present in the design. In particular, the fluid-dynamic results show a violation of the temperature requirement limits that have not been solved introducing proper design solutions. Furthermore, these violations of thermal-hydraulic requirements produce very intense values of Von Mises equivalent stresses that could jeopardize the structural integrity of the segment box. This demonstrates that MAIA procedure can become the reference tool for the design of the BB. Moreover, the MAIA procedure has proven the possibility to locally map important variables such as the neutron flux and the temperature as well as the primary and secondary stress that are used for the determination of the allowable stress and applied for compering with design criteria.
To further demonstrate the versatility and adaptability of the MAIA procedure, the water activation issue occurring within the blanket Primary Heat Transfer System (PHTS) has been studied. Using MAIA procedure, it has been possible to take into account the effects of the flow on the nitrogen concentration and to provide useful information for the development of both BB design and its PHTS.
