Overview of thermohydraulic simulations for the development of a helium-cooled divertor

Überblick über die thermohydraulischen Simulationsrechnungen zur Entwicklung
eines heliumgekühlten Divertors
Am Forschungszentrum Karlsruhe wird ein Divertor für Fusionskraftwerke der Generation nach ITER entwickelt. Ziel ist es, Wärmelasten von mindestens 10 MW/m² bei akzeptablem Druckverlust abzuführen. Ein heliumgekühltes, modulares Konzept mit Prallstrahlkühlung wird vorgeschlagen. Der Entwicklungsprozess wird von strömungsmechanischen Simulationsrechnungen begleitet.
Dieser zusammenfassende Bericht gibt einen Überblick über die Simulationsrechnungen und die Validierung der Ergebnisse. ... mehrMögliche Fehlerquellen wie z. B. Modellfehler oder numerische Fehler wurden systematisch eliminiert. Eine Netzstudie wurde durchgeführt, um vernetzungsunabhängige Ergebnisse zu erhalten. Schließlich wurden die simulierten Ergebnisse mit experimentellen aus der HEBLO–Anlage verglichen. Die Übereinstimmung, besonders bei den Temperaturwerten war gut. Der Druckverlust wird von den CFD-Programmen um ca. 30 % überschätzt, im Falle des 1:1 Modells um 20 % unterschätzt. Diese Diskrepanz konnte bisher nicht geklärt werden.
Global betrachtet zeigen die Ergebnisse die Anwendbarkeit des numerischen Models für Design und Auslegung des HEMJ Divertor-Konzepts, wie auch für andere gasgekühlte Komponenten des Fusionsreaktors

At the Forschungszentrum Karlsruhe, a divertor is developed for fusion reactors of the generation after ITER. The design goal is to remove heat loads of up to 10 MW/m² at least at an acceptable pressure loss. A helium-cooled modular divertor concept with multiple jet cooling (HEMJ) was suggested. The development process is accompanied by computational fluid dynamics (CFD) simulations.
This summary report gives an overview of the CFD simulations and the validation of their results. Possible error sources like modelling errors or numerical errors were investigated systematically. ... mehrA mesh study was conducted to obtain a meshindependent solution. Then, the simulated results were compared with experimental ones obtained by using the helium loop HEBLO. Agreement between measured and simulated temperature results was good. In most cases, pressure loss was overestimated by about 30%. For the 1:1 mock-up, it was underestimated by 20%. This discrepancy has not been explained so far.
The overall results provide confidence in the results of the numerical model and its applicability to the design of the HEMJ divertor as well as of other gas-cooled highheat-flux components under fusion reactor operating conditions.