Magnetohydrodynamic flow in a mock-up of a HCLL blanket. Part II: Experiments

Magnetohydrodynamische Strömungen im Modellexperiment eines HCLL Blankets Teil II Experimente in einem homogenen Magnetfeld
In einem skalierten Modell eines Helium-gekühlten Blei-LithiumTestblanketmoduls für ITER wurden magnetohydrodynamische Flüssigmetall-Strömungen untersucht. Die Ergebnisse untermauern das untersuchte Designkonzept und dienen zur Validierung von numerischen Berechnungsverfahren. Die untersuchte Modellgeometrie wurde entsprechend einem bei der CEA entwickelten Design eines Europäischen Konzepts eines Flüssigmetall-Blankets für ITER gefertigt (Rampal et al. ... mehr(2005)). In diesem Entwurf dient die eutektische Flüssigmetalllegierung PbLi als Brutmaterial. Die im Blanket freigesetzte thermische Leistung wird durch Helium abgeführt, das bei hohen Drücken und Geschwindigkeiten in engen Kanälen innerhalb der Wände und in Kühlplatten strömt. Die Originalgeometrie wurde um einen Faktor 2 verkleinert, damit das Experiment im großen Magneten des MEKKA Labors im Forschungszentrum Karlsruhe Platz findet, wo NaK als Modellfluid eingesetzt wird. Auf der Oberfläche des Modells wurden Druck- und Potentialverteilungen für eine Vielzahl von Parameterkombinationen gemessen. Als dimensionslose Größen zur Quantifizierung der Magnetfeldstärke und des Volumenstroms dienen die Hartmann - Zahl Ha und die Reynolds - Zahl Re.
Die experimentellen Ergebnisse bestätigen theoretische Vorhersagen, wonach die größten Druckverluste in den Zu- und Abflussleitungen und in den poloidalen Verteilern und Sammlern entstehen. Zusätzliche kleinere Beiträge ergeben sich, wenn die Strömung durch schmale Öffnungen in der Rückwand und nahe der ersten Wand hindurch tritt. Im Vergleich mit diesen Anteilen ist der Druckverlust in den Bruteinheiten bei Strömungsgeschwindigkeiten von 1-2mm/s vernachlässigbar klein. Aus dem weiten Bereich der untersuchten Parameter, 500 ≤ Ha ≤ 5000, 200 < Re < 10000, kann eine Druckverlust-Korrelation abgeleitet werden, mit deren Hilfe die Ergebnisse auf ITER oder DEMO Bedingungen extrapoliert werden können.
Aus Messungen des elektrischen Potentials auf der Oberfläche des Moduls kann die Strömungsverteilung zwischen den Kühlplatten ermittelt werden. Trotz der komplexen Geometrie findet man für starke Magnetfelder und moderate Volumenströme eine recht gute Übereinstimmung mit Ergebnissen numerischer Berechnungen, die die volle elektrische Kopplung zwischen Unterkanälen und Bruteinheiten für eingelaufene Bedingungen in einer Mittelebene des Blankets berücksichtigen. Die starke elektromagnetische Kopplung führt zu einer hinreichend gleichförmigen Strömungsverteilung innerhalb der Bruteinheiten, mit etwas erhöhten Durchsätzen in den äußeren Kanälen entlang den sogenannten Grid Plates. Trägheitseffekte treten verstärkt bei schwächeren Magnetfeldern oder höheren Strömungsgeschwindigkeiten in Erscheinung. Für solche Bedingungen, bei kleineren Hartmann - Zahlen Ha und großen Reynolds - Zahlen Re, wird die Strömungsverteilung in den Bruteinheiten unsymmetrisch und es entstehen Gebiete mit Rückströmung oder geschlossene Rezirkulationsgebiete.

Liquid-metal magnetohydrodynamic flows in a scaled mock-up of a helium cooled lead lithium test blanket module for ITER have been investigated experimentally in order to provide a data base as support of the proposed design concept and for validation of numerical tools. The experimental mock-up has been built according to the design developed at CEA as a European candidate for a liquid-metal test blanket module in ITER (Rampal, Li-Puma, Poitevin, Rigal, Szczepanski and Boudot (2005)). In this concept the eutectic liquid-metal alloy PbLi serves as breeder material while the entire thermal power released in the blanket is removed by helium that flows at high pressure and velocity inside small channels embedded in walls and cooling plates. ... mehrThe original geometry is scaled down by a factor of 2 to fit into the large magnet available in the MEKKA laboratory of the Forschungszentrum Karlsruhe, where NaK is used as a model fluid. Measurements of pressure and potential distribution on the surface of the mock-up have been performed for various combinations of magnetic field strengths and flow rates, quantified by the relevant nondimensional groups, the Hartmann number Ha and the Reynolds number Re, respectively.
The experiments confirm previous theoretical predictions that the major part of pressure drop appears in the entrance and exit pipes and in poloidal manifolds. Additional but smaller contributions are present when the flow passes through the narrow gaps in the back plate or at the first wall. The pressure drop in breeder units, where velocities of the order of 1-2mm/s are foreseen, is negligible in comparison with the other contributions. The large range of investigated parameters such as 500 ≤ Ha ≤ 5000, 200 < Re < 10000 allows defining a general pressure drop correlation to be used for extrapolations of results to ITER or DEMO conditions.
Results for electric potential measurements on the surface of the module yield information about flow distribution between the cooling plates. For strong magnetic fields and moderate flow rates the agreement with numerical predictions seems quite satisfactory considering the very complicated geometry for which calculations in a central cross section have been performed taking into account the full electromagnetic coupling. A strong coupling results in sufficiently uniform flow distribution in breeder units with increased flow in lateral sub-channels along the so-called grid plates. Inertia effects become more expressed for smaller magnetic fields and higher flow rates. For such conditions at lower Hartmann numbers Ha and larger Reynolds numbers Re the flow distributions in breeder units become non-symmetric and regions with even reversed flow could appear, forming closed recirculation loops in breeder units.