A Process Simulator for the Prediction and Optimization of the Operation of the Fuel Cycle of a Fusion Power Plant

Zukünftige Fusionskraftwerke erfordern den Betrieb mit einem geschlossenen Deuterium-Tritium Brennstoffkreislauf um ihren Betrieb aufrechtzuerhalten und radioaktives Tritium sicher einzuschließen. Im Rahmen eines solchen Kraftwerks erfüllt der Brennstoffkreislauf hierbei vier grundlegende Funktionen, welche seine Randbedingungen bilden. Zunächst sind seine Systeme dafür verantwortlich Brennstoff in der richtigen Zusammensetzung und Menge in die Brennkammer zu dosieren und das entstehende Abgas zu prozessieren. Dies erfordert als zweite Funktion auch den Erhalt des richtigen Isotopenverhältnisses von Deuterium zu Tritium sowie ein Gegenwirken etwaiger Kontamination durch Protium. ... mehrDiese Funktionen, welche unmittelbar der Brennkammer zugeordnet sind und das Deuterium- Tritium Gemisch prozessieren bilden den inneren Brennstoffkreislauf. Darüber hinaus muss der Brennstoffkreislauf auch in der Lage sein, im Reaktor erbrütetes Tritium entgegenzunehmen und aufzubereiten, um es der Brennkammer zuführen zu können. Als letzte Funktion ist der Brennstoffkreislauf auch für die Prozessierung von Tritium verantwortlich, das bei der Detritierung von Kühlmedium und Gebäudevolumina anfällt. Diese beiden Funktionen, welche lediglich Tritium, jedoch kein Deuterium verarbeiten, bilden den äußeren Brennstoffkreislauf.
Der Brennstoffkreislauf des in Entwicklung befindlichen Europäischen Demonstrationsreaktors (EU-DEMO) implementiert diese Funktionen in einer dreigliedrigen Architektur. Beide Funktionen des inneren Brennstoffkreislaufs werden in eigenständigen Prozesspfaden umgesetzt, wohingegen die nötigen Prozessschritte für Funktionen des äußeren Brennstoffkreislaufs in kombinierten Systemen erfüllt werden. Der gepulste Reaktorbetrieb eines Tokamaks, wie für EU-DEMO vorgesehen, propagiert hierbei zwangsläufig auch zum Betrieb dieses Brennstoffkreislaufes, welcher durch abwechselnde Phasen mit hohen und niedrigen Durchsätzen charakterisiert ist. Das Design des Gesamtsystems erfordert hierbei also auch die Berücksichtigung dynamischer Effekte auf Auslegungskriterien, wie etwa die Verfügbarkeit und Zusammensetzung des Brennstoffgemischs oder Tritiumemissionen.
Aus diesem Grund wurde eine dynamische Prozesssimulation des gesamten geschlossenen Brennstoffkreislaufs entwickelt. Die Simulation erreicht ein detailgetreues Abbild des Prozesses, indem sowohl die übergeordnete Architektur des gesamten Kreislaufs als auch die Architektur der einzelnen Systeme auf einer Komponentenbasis wiedergegeben wird. Das dynamische Verhalten der Komponenten wird hierbei durch eine Reihe von Bilanzräumen, für welche dynamische Massen- und Speziesbilanzen formuliert wurden, berücksichtigt. Diese Architektur erfordert fünf einzigartige Trennaufgaben die durch sechs verschiedene Technologien umgesetzt werden. Für jede Kernkomponente dieser Technologien wurde ein dynamisches Modell basierend auf den zugrundeliegenden Stofftransportprozessen implementiert.
Solch eine geschlossene, allumfängliche Simulation eines Brennstoffkreislaufs mit physikalischen Modellen ist bislang in Umfang und Komplexität einzigartig. Um dennoch Glaubwürdigkeit der erzeugten Ergebnisse zu gewährleisten wurde das dynamische Verhalten der Ensembles aus Stofftransportmodellen und weiteren Komponenten eines jeden Systems im Freischnitt anhand ihrer Sprungantwort charakterisiert und auf physikalisches Verhalten überprüft.
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Mit der entwickelten Simulation wurde zunächst der Betrieb des EU-DEMO Brennstoffkreislaufs für einen Referenzbetriebspunkt untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Betriebspunkt alle Anforderungen erfüllt und dynamische Effekte keine Einschränkung in Brennstoffverfügbarkeit und -zusammensetzung verursachen. Ebenso treten nur schwache Schwankungen in der Tritiumkonzentration im Abgas auf und sowohl durchschnittliche als auch maximale Werte übertreffen alle Anforderungen an Emissionsvorgaben.
In einem zweiten Schritt wurde die Stabilität des Betriebspunkts auf Abweichungen in seinen Randbedingungen untersucht. In allen Fällen stellt sich ein neuer pseudostabiler Zustand ein, welcher linear proportional zur Abweichung ist. Es konnten keine selbstverstärkenden Prozesse identifiziert werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Architektur effektiv zu einer Entkopplung zwischen innerem und äußerem Brennstoffkreislauf führt und so die Stabilität des Gesamtsystems verstärkt wird.

Future fusion power plants will be required to operate with a closed deuterium - tritium fuel cycle to sustain self-sufficient operation and minimize tritium discharges. In view of supporting the operation of a power plant the fuel cycle has to provide four principal functionalities, constituting its boundary conditions. Firstly, the fuel cycle systems are responsible for supplying fuel to the reactor chamber and processing the resulting exhaust. As a second function this also requires to maintain the desired isotope ratio of deuterium and tritium and to counteract the build-up of protium. ... mehrThese functions that are directly associated with the management of the deuterium - tritium fuel form the inner fuel cycle. Furthermore, the fuel cycle has to be able to accept tritium bred in the reactor breeding blanket and make it available for fueling. Lastly, the fuel cycle is also tasked with processing tritium arising from tritium recovery and detritiation of coolants and building volumes. These functions that are associated with the sole processing of tritium form the outer fuel cycle.
The fuel cycle of the European demonstration reactor (EU-DEMO), which is currently in development, implements these functionalities in a three-loop architecture. Both functionalities of the inner fuel cycle are realized using dedicated loops whereas the outer fuel cycle uses combined systems for both. The pulsed operation of the Tokamak reactor foreseen for EU-DEMO directly propagates to the fuel cycle causing alternating phases of high and low throughputs. Thus, the design of the integral system also needs to consider dynamic effects on design criteria and figures of merit such as the fuel availability and composition as well as tritium discharges.
For this reason, a dynamic process simulation of the integral EU-DEMO fuel cycle has been developed. The simulation achieves a detailed replica of the fuel cycle by mirroring its overall system-block architecture as well as the component-based architecture of all individual systems. The dynamic behavior of components is considered by balance areas for which dynamic mass and species balances are specified. This architecture of the fuel cycle relies on five principal types of separations that are implemented using six different technologies. For each, physical models based on the underlying mass transfer processes have been implemented.
Such a closed loop dynamic simulation of a continuous fuel cycle is to date unique in scope and complexity. To nevertheless establish the trustworthiness of generated results, stand-alone versions of the developed system models have been characterized by their step-change response and verified to show physical behavior.
Using the developed simulation, the operation of the EU-DEMO fuel cycle has been investigated for a reference design point. It could be shown that the operation point satisfies all requirements and that dynamic effects do not impact the fuel availability and achievable composition. Furthermore, only minor oscillations in the tritium concentration of the discharged stream were found with both maximum and average values within acceptable limits.
In a second step, the stability of the operation point against deviation in the fuel cycle boundary conditions was characterized. In all investigated cases the fuel cycle converges to a new pseudo-steady state linearly proportional to the deviation and no positive gain factors were found. It could furthermore be shown that the inner and outer fuel cycle are effectively decoupled by the architecture, improving the stability of the overall system.