Experimental Study on Deuterium Extraction from Liquid Pb-Li with the Vacuum Sieve Tray Technique for the European DEMO Fusion Reactor

Das benötigte Tritium eines Fusionskraftwerks wird durch Neutronenbeschuss von Lithium im sogenannten Breeding Blanket (BB) erzeugt. Flüssige Konzepte von BB bestehen aus eutektischem Pb-Li. Das erzeugte Tritium wird aus dem flüssigen Metall bei dem Tritium Extraction and Removal System (TERS) extrahiert. Die Vacuum Sieve Tray (VST) Technologie wird für TERS für das europäische Demonstrationskraftwerk (DEMO) vorgeschlagen, welche eine Extraktionseffizienz von mindestens 80% erfordert. Diese Technik besteht in der Erzeugung kleiner oszillierenden Tröpfchen, die in eine Vakuumkammer fallen. ... mehr

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine mit Deuterium betriebene VST-Versuchsanlage aufgebaut. Um die Extraktioneffizienz zu bewerten wurden Versuche durchgeführt, die aus zwei Phasen bestehen. Zuerst wird Deuterium in das flüssige Metall (in einer oberen Kammer aus Edelstahl) gelöst und anschließend aus den fallenden Pb-Li-Tröpfchen (in einer unteren Edelstahlkammer unter Vakuum) extrahiert. Die Experimente wurden durch einen entwickelten fluiddynamischen Simulationscode und eine Hochgeschwindigkeitskamera, um die Größe und Bewegung der Flüssigmetalltröpfchen zu analysieren, unterstützt.

Die gemessene Menge gelöstes Deuteriums im Pb-Li beträgt $(8.9\pm1.5)\!\times\!10^{-4}$ und $(4.4\pm1.4)\!\times\!10^ {-4}$ mol D$_2$ für Lösedrücke von 1000 bzw. 500 mbar. Diese Ergebnisse werden durch eine sorgfältige Auswertung des in die Struktur verlorenen Deuteriums bestimmt und entsprechen einer Sieverts-Konstanten von $(8.5\pm1.9)\!\times\!10^{-3}$ mol$_\text{D}$ m$^{-3}$ Pa$^{-0.5}$.

Die Menge an D$_2$, die aus Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa $1.2\pm0.2$ mm innerhalb einer Fallhöhe von $\approx\!0.5$ m extrahiert wird, ist geringer als $8\!\times\!10^{ -6}$ mol. Dieses Ergebnis impliziert eine Extraktionseffizienz von $\leq\!1.2\%$, die wesentlich niedriger als der erwartete Wert ist, der auf der Diffusion von Deuterium zur Oberfläche der Tröpfchen beruht. Die erhaltenen Ergebnisse legen entweder einen Stoffübergangskoeffizienten von etwa $5\!\times\!10^{-12}$ m$^2$ s$^{-1}$ oder einen oberflächenbegrenzten Extraktionsprozess nahe.

The tritium needed to fuel a fusion power plant will be produced in the so-called Breeding Blanket (BB) by neutron bombardment of lithium. Liquid concepts of BB are composed of eutectic Pb-Li and rely on a Tritium Extraction and Removal System (TERS) to extract the generated tritium from the liquid metal. The Vacuum Sieve Tray (VST) technique is proposed as TERS for the European Demonstration power plant (DEMO), which requires a minimum extraction efficiency of 80%. This technique consists in extracting the tritium dissolved in Pb-Li by generating small oscillating droplets, which fall in a vacuum chamber. ... mehr

Within the present work, a VST experimental facility operated with deuterium has been assembled and qualified. Experiments consisting in dissolving deuterium into the liquid metal (in a stainless-steel upper chamber) and subsequently extracting it from the falling Pb-Li droplets (in a stainless-steel lower chamber under vacuum) have been carried out in order to evaluate the extraction efficiency. The experiments have been assisted with a developed fluid-dynamics simulation code and a high-speed camera to analyse the size and motion of the liquid-metal droplets.

The measured amount of deuterium dissolved into the Pb-Li is $(8.9\pm1.5)\!\times\!10^{-4}$ and $(4.4\pm1.4)\!\times\!10^{-4}$ mol of D$_2$ for dissolving pressures of 1000 and 500 mbar, respectively. These results have been determined with a careful evaluation of the deuterium lost into the structure and correspond to a Sieverts' constant of $(8.5\pm1.9)\!\times\!10^{-3}$ mol$_\text{D}$ m$^{-3}$ Pa$^{-0.5}$.

The amount of D$_2$ extracted from droplets of about $1.2\pm0.2$ mm diameter within a falling height of $\approx\!0.5$ m is lower than $8\!\times\!10^{-6}$ mol. This result implies an extraction efficiency of $\leq\!1.2\%$, which is substantially lower than the expected value relying on diffusion of deuterium towards the surface of the droplets. The obtained results suggest either a mass transfer coefficient of about $5\!\times\!10^{-12}$ m$^2$ s$^{-1}$ or a surface-limited extraction process.