Modellierung und Design einer quecksilbergetriebenen Vakuumpumpe zum Pumpen der Abgase eines Fusionskraftwerks = Modeling and Design of a Mercury-driven Vacuum Pump for Fusion Power Plant Exhaust Pumping

Für den Betrieb zukünftiger Kernfusionskraftwerke werden Vakuumsysteme von bisher unerreichter Größe und Komplexität benötigt. Gegenwärtig ist der Tokamak der am weitesten fortgeschrittene Reaktortyp. Dessen gepulster Betrieb stellt besondere Herausforderungen an die Auslegung der Vakuumsysteme, da diese einerseits hohe Gaslasten während der Brennphase prozessieren müssen und andererseits sehr niedrige Drücke zwischen den Pulsen gewährleisten müssen. Zusätzliche Anforderungen entstehen durch die Deuterium-Tritium-Reaktion, welche zurzeit als vielversprechendste Option für die Energieerzeugung durch Kernfusion auf der Erde gilt. ... mehrFür diese Reaktion werden die zwei Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium benötigt. Deuterium stellt hier kein Problem dar, da es langzeitstabil und als Ressource hinreichend verfügbar ist. Tritium ist hingegen radioaktiv und aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit nicht natürlich verfügbar; es muss daher künstlich hergestellt werden. Aufgrund der beschränkten Verfügbarkeit und kerntechnischer Rechtsvorschriften ist es notwendig, das Tritiuminventar von Fusionskraftwerken so gering wie möglich zu halten. Aus diesen Gründen müssen Vakuumpumptechnologien entwickelt werden, die einerseits hohe Saugvermögen und niedrige Enddrücke bereitstellen und andererseits geringe Tritiuminventare aufweisen. Eine Pumptechnologie, die diesen Anforderungen gerecht wird, ist die quecksilbergetriebene Diffusionspumpe. Diffusionspumpen sind eine bereits etablierte Technologie, allerdings erfordert ihre Anwendung in neuartigen Abgaspumpsystemen eines Tokamaks eine dedizierte Untersuchung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, Modelle dieser Pumpen zu entwickeln und diese für die Anwendung im Abgasstrang eines Tokamaks auszulegen und zu optimieren.

Zu diesem Zweck werden zunächst die Betriebsbedingungen und Anforderungen, die der gepulste Tokamakbetrieb an das Hochvakuumpumpsystem stellt, hergeleitet. Basierend auf der Funktionsweise wird die Gas-Dampf-Interaktion in der Diffusionspumpe als Hauptwirkmechanismus identifiziert. Um ein Austreten des Quecksilberdampfes aus der Pumpe in vorgeschaltete Systeme zu verhindern wird die quecksilbergetriebene Diffusionspumpe mit einer vorgeschalteten Quecksilberfalle betrieben. Die Quecksilberfalle basiert auf gekühlten Prallplatten (englisch Baffle). Durch dieses Baffle kann die effektive Saugleistung der Pumpe erheblich reduziert werden, sodass während des Auslegungsprozesses die Kombination aus Pumpe und Baffle berücksichtigt wird.

Da Diffusionspumpen im verdünnten Gasströmungsbereich arbeiten, erfolgt ihre Beschreibung auf Basis der kinetischen Gastheorie. Basierend darauf werden nachfolgend zwei Modelle für die Gas-Dampf-Wechselwirkung entwickelt. Das erste, einfachere, Modell liegt in Form einer dimensionslosen Gleichung vor und ist daher geeignet, die Einflussfaktoren auf die Pumpwirkung zu untersuchen und zu vergleichen. Ergänzend wird ein zweites, numerisches Modell auf der Basis des Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) Verfahrens entwickelt, das die Simulation von realistischen Pumpenentwürfen ermöglicht. Die Kombination beider Modelle ermöglicht eine effiziente, modell-basierte Auslegung von Diffusionspumpen.

Als Validierungsgrundlage für die theoretische Modellentwicklung ist im Rahmen dieser Arbeit ein Experiment entworfen, aufgebaut und betrieben worden. Ziel ist die Charakterisierung eines Quecksilberdampfstrahles, wie er in Diffusionspumpen zum Einsatz kommt, und seine Wechselwirkung mit dem gepumpten Gas. Das DSMC-Modell wird durch detaillierten Vergleich mit den experimentellen Messdaten validiert.

Der gepulste Tokamakbetrieb erschwert die Auslegung einer effizienten Quecksilberfalle, die einen Kompromiss zwischen niedrigem Strömungswiderstand und hohem Quecksilberabscheidegrad finden muss. Um eine effiziente Auslegung zu ermöglichen, wird ein numerisches Modell entwickelt, das die Gasströmung durch das Baffle über den gesamten Gasverdünnungsbereich beschreibt und mit Hilfe des DSMC Verfahrens gelöst.

Zuletzt werden die verifizierten Modelle zur erstmaligen Auslegung der quecksilberbetriebenen Diffusionspumpen und zugehörigen Quecksilberfallen für das europäische Fusionsdemonstrationskraftwerk EU-DEMO angewendet. Die Simulationsergebnisse werden im Hinblick auf die vorher identifizierten Betriebsbedingungen und Anforderungen diskutiert. Außerdem wird aufgezeigt, welche Anforderungen an nachgeschaltete Systeme gestellt werden und wo künftige Optimierungspotentiale liegen.

Future nuclear fusion power plants will require vacuum pumping systems of unprecedented size and complexity. Presently, the most advanced fusion reactor concept is the pulsed Tokamak. Its pulsed operation poses unique challenges to the vacuum system design, as it has to process high gas loads during the burn phase on the one hand and reach very low pressures between the pulses on the other hand. Further challenging requirements are introduced by the pursued deuterium-tritium reaction, which is currently considered to be the most viable fusion reaction candidate for terrestrial energy production. ... mehrThis reaction involves the hydrogen isotopes deuterium and tritium. While deuterium is stable and abundantly available on earth, tritium is radioactive with a short half-life and thus has to be created artificially. Its limited supply as well as nuclear regulation require that the tritium inventory of fusion power plants is kept as low as possible. For these reasons vacuum pumping technologies have to be developed that feature high pumping speeds, low terminal pressures and minimal tritium inventories. One potential high vacuum pumping technology that fulfills these requirements is the mercury-driven vapor diffusion pump. While diffusion pumps are an established technology, their application in the novel context of a fusion power plant's vacuum systems requires special consideration. The aim of the present work is to develop models of these pumps and to design and optimize them for the application in Tokamak exhaust pumping.

For this purpose the requirements imposed on the high vacuum pumps by the pulsed Tokamak operation are derived. The gas-vapor interaction in the diffusion pump is identified as the main design driving process. Diffusion pumps have to be complemented by a vapor trap to prevent migration of the mercury vapor to upstream systems. The vapor trap is based on cooled baffle plates. As baffles can reduce the effective performance of the diffusion pump significantly, it is important to consider the combination of both during the design process.

As diffusion pumps operate in the rarefied gas flow regime the theoretical modeling is based on the kinetic gas theory. Building on this, two models describing the gas-vapor interaction responsible for the pumping principle are derived. The simpler model is purely analytical and constructed in dimensionless form, thus allowing to identify the main contributing factors to the pumping principle. This is complemented by a more complex, numerical model based on the Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method, which can be employed to simulate realistic designs. The combination of both models allows for an efficient model-based design of diffusion pumps.

In order to support and validate the theoretical modeling an experimental setup has been designed, assembled and operated. The experimental objective is the characterization of a mercury vapor jet as used in diffusion pumps and its interaction with the pumped gas. The DSMC pump model is validated by performing a detailed comparison with the experimental results.

The pulsed operation of Tokamaks complicates the design of an efficient baffle, which has to compromise between a low flow resistance and high mercury vapor containment efficiency. In order to facilitate the design process a numerical model of the baffle, which is valid over the entire range of flow regimes, is developed and solved using the DSMC method.

Finally, the verified models are exploited to establish preliminary designs for the mercury-driven diffusion pumps and baffles for the EU-DEMO Tokamak exhaust pumping system. The simulation results are discussed with respect to the previously identified operating conditions and requirements. Additionally, the impact on downstream systems is considered, and future optimization potentials are pointed out.