Heat Pipe technology based Divertor Plasma Facing Component concept for European DEMO

Wärmerohre transportieren effektivWärme von einerWärmequelle zu einerWärmesenke unter Verwendung von Kapillarkräften und einem Phasenwechsel des internen Arbeitsfluids. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen thermischen Leitfähigkeit werden sie für die Kühlung von plasma-nahen Komponenten des DEMO-Fusionsreaktors in Betracht gezogen, insbesondere für den Divertor, der Verunreinigungen aus dem Plasma entfernt, und mit einer maximalen Wärmestromdichte von bis zu 20 MW/m2 belastet ist. Im Vergleich zum aktuellen Design der Divertor-Prallplatten kann die Verwendung von Wärmerohren die Wärmeübertragungsfläche zum Kühlkreislauf vergrößern und die Sicherheit des Reaktors verbessern.
... mehr
Eine DEMO-Divertorprallplatte mit wasserbasiertem Wärmerohr (DIV-HP), die Wärmestromdichten bis zu 20 MW/m2 mit gemischten kapillaren Strukturen transportieren kann, wird gemäß einem ingenieurtechnischen Analysemodell entworfen. Um das Design des Divertor-Wärmerohrs bei einer unklaren Siedegrenze zu validieren, wird unter Verwendung derselben Designansätze ein spezielles Experiment („Heat Pipe for Evaluating the Evaporator“, HPEE), aufgebaut.
In diesem Experiment wird die Leistung der HPEEs durch die Analyse von Temperaturmessungen und der kalorimetrischen Wärmestromdichte, die durch die HPEEs transportiert wird, untersucht. Es werden zwei Modelle mit verschiedenen kapillarporösen Verdampfern miteinander verglichen, um das Potenzial zur Verbesserung der Leistung von HPEE-Verdampfern zu bewerten. Zusätzlich wird der Einfluss des Flüssigkeitsinventars und der Durchflussraten der Wärmesenke auf die Leistung der HPEE-Verdampfer untersucht. Die Ergebnisse des Experiments werden anschließend mit den vorhergesagten Werten des HPEE-Engineering-Analysemodells verglichen.
Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass HPEEs mit einem Flüssigkeitsinventar von 2,0 ml, insbesondere solche mit porösen Verdampferkonstruktionen mit Kanälen, bis zu einer Wärmestromdichte von 4,3 MW/m2 bei einer Verdampfertemperatur von 275 °C gut funktionieren. Das Experiment muss bei diesem Wert beendet werden, da die Wärmequelle ihre maximale Betriebstemperatur erreicht. HPEEs haben das Potenzial, eine höhere Wärmestromdichte zu transportieren, da keine Anzeichen für Trockenlauf vorliegen. Die durchschnittliche Temperatur des Verdampfers, die im Experiment gemessen wird, ist signifikant niedriger als die vom HPEEAnalysemodell geschätzte, was darauf hinweist, dass die tatsächliche Leistung der HPEE besser ist als vom Analysemodell vorhergesagt.
Diese Erkenntnisse bieten Leitlinien für das Design von Divertor-Wärmerohren unter Verwendung desselben Analysemodells. Es wird geschlussfolgert, dass das Design des Divertor-Wärmerohrs in der Lage ist, bei 20 MW/m2 zu arbeiten. Die Leistung des Divertor-Wärmerohrs kann durch Gewährleistung des richtigen Flüssigkeitsinventars und Optimierung der porösen Struktur verbessertwerden. DerAusblick auf den Einsatz vonWasser-Wärmerohren imDEMO-Divertor oder in anderen Anwendungen mit hoher Wärmestromdichte ist vielversprechend.

Heat pipes effectively transport heat from a heat source to a heat sink using capillary forces and a phase change of the internal working fluid. Due to their exceptional thermal conductivity, they are considered for plasma-facing components of DEMO fusion reactors, especially the divertor that removes impurities from the fusion process and must withstand a maximum heat flux of up to 20 MW/m2. Compared to a current-cooled divertor target, using the heat pipe can enlarge the heat transfer area to the cooling circuit and enhance the reactor’s safety.
A DEMO divertor target with water-based heat pipe (DIV-HP) that can transport heat fluxes up to 20 MW/m2 is designed with mixed capillary structures according to a engineering analysis model. ... mehrTo validate the design of the DIV-HP on an unclear boiling limit, a experiment of the Heat Pipe for Evaluating the Evaporator (HPEE) is created, by using the same design approaches.
This experiment investigates the performance of HPEEs by analyzing the temperature measurements and the calorimetric heat flux transported through the HPEEs. Two mock-ups with different capillary porous evaporators are compared to evaluate the potential for improving the performance of HPEE evaporators. Additionally, the influence of liquid inventories and heat sink flow rates on the performance of HPEE evaporators is studied. The results of the experiment are then compared with the predicted value of the HPEE engineering analysis model.
The experimental results show that HPEEs with 2.0 ml of liquid inventory, particularly one with porous evaporator constructions with channels, can perform well up to 4.3 MW/m2 with an evaporator temperature of 275 °C. The experiment has been stopped at this value because the heat source has reached its maximum operating temperature. HPEEs show the potential to transport a higher heat flux as there is no sign of dry-out. The average temperature of the evaporator measured in the experiment is much lower than the one estimated by the HPEE analysis model, suggesting that the actual performance of the HPEE is better than what the analysis model predicted.
These findings provide guidelines for the divertor heat pipe design using the same analysis model. It is concluded that the design of the divertor heat pipe is capable of operating at 20 MW/m2. The performance of the divertor heat pipe can be improved by ensuring the right amount of liquid and optimizing the porous structure. Therefore, it offers a promising outlook for the use of water-heat pipes in DEMO divertor applications, or even in other high heat flux conditions.