Holistic fuel cycle modelling of a future fusion reactor = Holistische Modellierung des Brennstoffkreislaufs eines zukünftigen Fusionsreaktors

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. ... mehrInfolgedessen 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.

The production of electrical energy by means of magnetically confined fusion represents a yet unexploited source, the realisation of which is currently under development around the world. This work describes an essential component of the infrastructure of such a power plant in a comprehensive simulation: the fusion fuel cycle.
It represents a complex chemical plant tasked to provide the hydrogen isotopes deuterium and tritium as educts to the fusion reaction. To limit the concentration of the fusion product helium in the reactor, the throughput of the fuel mixture is maintained at a much higher rate than the rate of the fusion reaction itself. ... mehrAs a result, unburned hydrogen represents the predominant fraction of the reactor exhaust gas.
The fuel cycle must ensure that this hydrogen can be recovered and resupplied with high efficiency from the exhaust gas stream. To do this, the process gas must first be evacuated from the reactor environment with continuous vacuum pumps. Then the hydrogen is removed from the exhaust gas mixture using various separation processes. Finally, the hydrogen mixture is fed back into the reactor.
In detail, the function and structure of the Inner Fuel Cycle for the first-of-its-kind fusion reactor “DEMO“ are first derived from its boundary conditions. Then every technology is described by its relevant physics from the literature and integrated into the simulation programme as a stand-alone model. Particular focus is placed on the hydrogen chemistry underlying the different separation processes. Especially, the incorporation of tritium and tritiated species influences the design of the fuel cycle. This rare and radioactive isotope significantly limits the choice of technology and its emissions must be kept to an absolute minimum.
In order to integrate all subsystems, the fuel cycle simulator maps the complete cycle transiently within the commercial software ASPEN® Custom Modeler. In this way, the behaviour in steady state operation, during start-up and for mutable boundary conditions can be modelled.
On the basis of a representative reference point, an optimisation of the fuel cycle is carried out according to its main design criteria: (i) tritium self-sufficiency (ii) stable fuel composition and (iii) tritium retention and inventory. Consideration of the overall system results in an estimated tritium loss term of 1.6 g per year, which relates to an operational tritium inventory of 6.3 kg. Tritium losses in this context denote all loss terms to outside the confinement of the fuel cycle. The individual contributions to the total inventory are derived and are largely found in liquid form or bound in absorption beds.
Using mass balances, the influence of each subsystem on the performance at the reference point is discussed. In a parameter study, the most important boundary conditions of the fuel cycle are varied, and corresponding adaptation strategies are described.
In summary, the result of this work is a comprehensive, modular and well-founded tool to help optimize future fuel cycles.