Simulation study of energy transfer chain of DEMOnstration Balance of Plant on behalf of operation stability

In der Doktorarbeit liegen die Schwerpunkte auf dem Design, sowie auf der Anlagenleistung und den betrieblichen Herausforderungen von DEMOnstration Balance of Plant (DEMO BoP) für die Fusionstechnologie. Das Ziel der Arbeit ist die Untersuchung des transienten Verhaltens der Energieübertragungskette von DEMO BoP mittels MATLAB/Simulink. Für das Simulationsmodell des Primärwärmeübertragungssystems (PHTS), des Zwischenwärme-übertragungs- und Speichersystems (IHTS), sowie des Energieumwandlungssystems (PCS), wurde eine umfassende Studie der Design- und Betriebsparameter, die als Simulationsdateninput gelten, durchgeführt. ... mehrHITEC-Salzschmelze wurde als Wärme-übertragungsflüssigkeit sowie als ein sensibles Wärmeenergiespeichermedium für DEMO ITHS ausgewählt. Dafür wurde eine erweiterte Literaturrecherche zu den Eigenschaften der Salzschmelze erbracht. Eine Reihe von analytischen Gleichungen, die die Temperaturabhängigkeit von thermophysikalischen Parametern des HITEC beschreiben, wurde definiert und in einem neuen angepassten MATLAB®-Modul eingeführt. Ein geeignetes Modell wurde entwickelt, welches die Massen- und Wärmeübertragungsphänomene im thermischen Energiespeicherbehälter beschreibt. Ein neuartiger MATLAB®-Modul wurde zur Simulation von Wärmeverlusten aus dem Speicherbehälter an die Umgebung entwickelt. Die Simulationsergebnisse zur Wärmeübertragung aus dem Speicherbehälter an die Umgebung wurden mit bekannten Literaturdaten verglichen und evaluiert. Die Simulationsmodelle von DEMO PHTS-IHTS- und DEMO PCS-Systemen wurden mit MATLAB/Simulink entwickelt. Zur Modellentwicklung wurden sowohl Standardmodule der MATLAB-Bibliothek, als auch die selbst neuangepassten MATLAB®-Module eingesetzt. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Beschreibung der entsprechenden Randbedingungen für die physikalischen Modelle, sowie der maßgeblichen Gleichungen. Die Simulationen wurden zur Optimierung des Designs der thermischen Energiespeicherbehälter verwendet. Der Zusammenhang zwischen geometrischen Parametern der Speicherbehälter und den Eigenschaften der Salzschmelze wurde untersucht. In DEMO PHTS-IHTS und DEMO PCS-Systemen wurden Simulationen zur zeitlichen Entwicklung von Massen- und Wärmeströmen während des zyklischen Fusionsreaktorbetriebes durchgeführt. Die Ergebnisse wurden zur Berechnung der mechanischen Leistung hinter den DEMO PCS-Dampfturbinen herangezogen. Die Daten aus MATLAB/Simulink-Modellen wurden mit Daten aus quasi-stationärem Simulationsmodell verglichen. Die Verifizierung der jeweiligen Simulationsdaten zeigt eine Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen von dynamischer und quasi-stationärer Modellierung. Abschließend wurde das MATLAB/Simulink-Modell zur Untersuchung des transienten Verhaltens der Energieübertragungskette von DEMO BoP entwickelt. Die Neuartigkeit des Modells entsteht in der Modellenkopplung der DEMO PHTS-IHTS mit DEMO PCS mittels thermischer Anschlüsse der entsprechenden Module. Im Hinblick auf die Betriebsstabilität, bestätigen die Ergebnisse der numerischen Simulationen die Eignung des entwickelten MATLAB/Simulink-Modells für die Untersuchung des transienten Verhaltens der Energieübertragungskette von DEMO BoP.

In the thesis, the study is carried out, focusing on the objectives related to design of DEMOnstration Balance of Plant (DEMO BoP), as well as on plant performance and operation challenges. The scope of the work is the study of transient behaviour of DEMO BoP energy transfer chain through the simulations using MATLAB/Simulink. For this purpose, a vast analysis of design and operational parameters of DEMO BoP is carried out, including Primary Heat Transfer System (PHTS), Intermediate Heat Transfer and Storage System (IHTS) and Power Conversion System (PCS), which are used as input simulation data. ... mehrIn DEMO IHTS system, HITEC molten salt (MS) is applied as both heat transfer fluid and sensible thermal energy storage medium. In the thesis, an extended literature survey of HITEC properties is performed. A set of functional relations, which describe temperature dependence of HITEC thermo-physical parameters, is defined for novel customized MATLAB® module. A model, which describes mass and heat transfer phenomena in thermal storage tank, is reviewed. The results are applied for development of novel customized MATLAB® module for simulation of heat losses to environment from thermal storage tanks. The results of simulations of temporal evolution of MS temperature inside thermal storage tanks, as well as heat losses to environment, are evaluated through comparison with numerical data, known from literature survey. The simulation models for DEMO PHTS-IHTS and DEMO PCS systems are developed. For these models, MATLAB Library standard, as well as customized modules are applied. The modules´ governing equations and corresponding assumptions are discussed. The results of simulations are used for optimization of design of thermal storage tanks, as well as for study of interplay between storage tank geometrical parameters and MS properties. The simulations of temporal evolution of mass and heat flows in DEMO PHTS-IHTS and DEMO PCS systems during fusion reactor cycling operation are carried out. The study is extended with simulation of temporal evolution of mechanical power output downstream DEMO PCS steam turbines. The results of simulations using MATLAB/Simulink are evaluated and verified through the comparison with the data from quasi-stationary simulations. The verification shows good correlation between simulated parameters´ values. Finally, MATLAB/Simulink simulation model for DEMO BoP energy transfer chain is developed. The novelty consists in coupling of DEMO PHTS-IHTS and DEMO PCS models through thermal ports. The obtained results of numerical simulations confirm the ability of the developed MATLAB/Simulink model to be applied for the study of transient behaviour of DEMO BoP energy transfer chain on behalf of operation stability.