Thermal hydraulic analysis of IFMIF lithium target with incident deuteron beam

Thermohydraulische Analyse des IFMIF Lithiumtargets mit einfallendem Deuteronenstrahl
In der vorgeschlagenen "International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF)" soll eine intensive hochenergetische Neutronenquelle über die Stripping-Reaktion mit 30 - 40 MeV Deuteronen in einem Lithiumtarget realisiert werden. Das IFMIF-Target, das einen Wärmeeintrag bis zu 10 MW abführen muß, soll aus einem Flüssig-Lithium-Strahl mit einer freien Oberfläche (in Richtung Deuteronenstrahl) und einer Rückwand (in Richtung Testzellen) bestehen. In dieser Auslegung sind die thermische und hydraulische Stabilität des Lithiumstrahls sowie die Verdampfung von Lithium an der freien Oberfläche von besonderer Bedeutung. ... mehrHauptgegenstand der vorliegenden Arbeit war die thermohydraulische Analyse des Lithiumtargets mit einfallendem Deuteronenstrahl. Turbulente Strömung und Wärmeübergang in der Targetdüse und im Lithiumstrahl bei einfallendem Deuteronenstrahl wurden simuliert mit Hilfe des Finite-Elemente-Codes FIDAP. Das Wärmeeintragsprofil infolge Deuteronenabbremsung wurde mit Modellen für die Stopping Power durch Elektronen- und nukleare Wechselwirkung unter Berücksichtigung der Temperaturverteilung im Target bestimmt. Nach unserer Kenntnis ist dies eine der wenigen Studien, die eine konsistente Simulation der turbulenten Strömung sowohl in der Düse als auch im Strahl enthält und auf alle wichtigen Targetkonfigurationen anwendbar ist. Obwohl ein anderer Simulationscode für den Lithiumstrahl und ein anderer Datensatz für die Lithiumeigenschaften benutzt wurde, sind die meisten unserer Ergebnisse für das IFMIF-Referenztarget konsistent mit denen der IFMIF-Partner. Die Verdampfung von der Oberfläche erwies sich als relativ gering für die untersuchten Parameter des Lithium- und Deuteronenstrahls. Die freie Lithiumoberfläche am unteren Ende des Deuteronenstrahls wurde als der kritischste Bereich für eventuelle Siedevorgänge identifiziert. Für relativ niedrige Druckwerte in der Vakuumkammer (kleiner als p = 10-3 Pa) ist festzustellen, daß der Abstand zum Siedepunkt an der freien Oberfläche (z. B. Tb 7°C für p = 10-4 Pa) der begrenzende Faktor für die Targetauslegung darstellt. Eventuelles Sieden innerhalb des Targets ist stark vom Targetkonzept abhängig. Beim Konzept mit gekrümmter Rückwand kommt es durch die Einwirkung der Zentrifugalkraft innerhalb des Lithiumstrahls zu einem quasilinearen Druckaufbau vom Vakuumkammerdruck bis zu p = 1,3 x 104 Pa nahe der Rückwand, wodurch Siedevorgänge innerhalb des Strahles stark unterdrückt werden. Bei den beiden anderen Konzepten, nämlich dem Target mit gerader Rückwand (das einen begrenzten Druckaufbau erlaubt) und dem Freistrahltarget ohne Rückwand (dadurch auch kein innerer Druckaufbau), können Siedevorgänge nur vermieden werden durch eine signifikante Steigerung der Strahlgeschwindigkeit und damit des gesamten Lithiuminventars. Der Einfluß der verdampften Lithiummenge, d. h. ihre Ablagerung und ihre Wechselwirkung mit dem Deuteronenstrahl, bedürfen weiterer Untersuchung. Dazu schlagen wir die Anwendung eines Monte-Carlo-Codes für direkte Simulation vor, um den Masse- und Wärmetransport im Reaktionsraum des Targets und in den Bereichen der Target-Beschleuniger-Wechselwirkung zu modellieren. Schließlich kommen wir, unterstützt durch die Ergebnisse anderer Untersuchungen, zu der Schlußfolgerung, daß unsere Resultate die physikalische Realisierbarkeit des IFMIF-Targets in der Ausführung mit gekrümmter Rückwand bestätigen.

In the proposed International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF), an intense, high energy neutron flux will be generated by the stripping reaction of deuterons with energy of 3040 MeV in a lithium target. The IFMIF target, which should remove up to 10 MW of thermal power, is made of a liquid lithium jet with one free surface (towards the deuteron beam) and a back-wall (towards the test cells). In this design the thermal and hydraulic stability of the lithium jet as well as the evaporation of lithium at the free surface are of major importance. Therefore, the principal objective of this work was to perform a thermal hydraulic analysis of the lithium target jet with incident deuteron beam. ... mehrThe turbulent flow and heat transfer in the target nozzle and in the lithium jet with incident beam have been simulated with the finite element code FIDAP. The profile of the deposited heat due to the stopping of the deuterons has been calculated using models for both electronic and nuclear stopping powers also including the temperature distribution in the target. To our knowledge this is one of the very few studies which includes a consistent simulation of the turbulent flow in both the target nozzle and the jet itself with application to all major target configurations. Although we used a different fluid-flow simulation code and a different lithium properties data set, most of our results for the reference IFMIF target are consistent with those of the IFMIF partner groups. Thus, the surface vaporization proved to be relatively small for beam and jet parameters studied. The free surface at the lower edge of the deuteron beam has been identified as the most critical area for boiling. For relatively low pressures in the vacuum chamber (lower than p=10-3 Pa) one can note that the boiling margin at the free surface (for example b7 °C for p=10-4 Pa) is the limiting issue of the lithium target design. Boiling margins inside the jet seem to be strongly sensitive on target concepts. In case of the curved back-wall concept, due to the centrifugal force inside the jet the pressure increases quasi-linearly from the reaction chamber pressure until p1.3104 Pa near the back-wall such that boiling inside the jet is strongly prevented. For two other concepts, namely the straight back-wall which allows limited internal pressure into the jet, and the free jet target which allows no internal pressure, boiling can be prevented only with the price of a significant increase of average jet velocity and consequently increased lithium inventory. The impact of the amount of vaporized lithium, its deposition and its interaction with the incident deuteron beam need further analysis. In this respect we propose the use of a Monte Carlo Direct Simulation code for modeling of mass and heat transport in the lithium target reaction chamber and in the target-accelerator interface. Finally, we conclude that the results obtained in this study, corroborated with other investigations, have confirmed the physical feasibility of the IFMIF target in the reference curved back-wall configuration.