Fusionseksperter tager fat på kølestrategier for fusionsbrændselscyklus

For at opnå praktisk energi fra fusion skal ekstrem varme fra fusionssystemets "tæppe"-komponent udvindes sikkert og effektivt. Oak Ridge National Laboratory-fusionseksperter undersøger, hvordan små 3D-printede forhindringer placeret inde i de smalle rør i et specialfremstillet kølesystem kan være en løsning til at fjerne varme fra tæppet.

Et hold hos ORNL tester denne tilgang i et heliumstrømsløjfesystem bygget til at bestemme, hvilke geometrier der er mest effektive til at hjælpe gasstrømmen i kontinuerlig bevægelse, afkøle metalstrukturerne. Indsatsen samler ORNLs fusionsteknologiske ekspertise med laboratoriets avancerede produktionskapaciteter.

I fusionssystemer er tæppet en varmeabsorberende komponent inde i reaktoren, der omgiver plasmaet inde i vakuumbeholderen for at beskytte andre komponenter mod ekstrem varme. Tæppet er normalt mellem 0,5 og 1,5 meter tykt. Derudover spiller tæppet en central rolle i at opfange varmeenergi fra neutroner og generere fusionsbrændstof.

"Vi tackler et fusionsforskningsproblem, som er blevet alvorligt undersøgt siden 1990'erne, hvor videnskabsmænd først identificerede, at nogle forstyrrelser kan øge varmeoverførslen," sagde Charles Kessel, leder af ORNL's Fusion Nuclear Science, Technology, and Engineering Sektion og direktør for ORNL. Virtuelt laboratorium for teknologi.

Mens det internationale ITER-fusionsanlæg er under montering, og andre fusionsenheder er i drift eller udvikling, er der fortsat et globalt behov for tæppekøleteknologiske løsninger til at understøtte et fremtidigt fusionspilotanlæg.

For at give elektricitet fra fremtidige fusionsreaktorer skal plasmaet nå temperaturer, der er varmere end solen. Et kølesystem er påkrævet for at undgå at beskadige vitale komponenter i reaktoren, samtidig med at det sikres, at kernen af ​​enheden fortsætter med at fungere ved høje temperaturer og når effektiv energiproduktion.

I de sidste par årtier har forskere udviklet og testet ideer til, hvordan man gør dette ved hjælp af vandbaserede systemer. Men helium giver flere fordele i forhold til vand i højtemperaturfusionsreaktormiljøet, lige fra sikkerhed til materialekompatibilitet og høj termisk konverteringseffektivitet.

"Vand fungerer ikke godt med reduceret aktivering ferritisk martensitisk eller RAFM, ​​en type stål, som materialesamfundet har udviklet som en mulig nøglekomponent til fusionsreaktorer. For ikke at nævne, at brugen af ​​vand også kan udgøre en forureningsrisiko i tilfælde af af en lækage," sagde Kessel.

Derudover har vand potentialet til at interagere med lithiumforbindelser, der bruges til at producere tritium, hovedkandidaten til at brænde fusionsreaktorer. Det kræver også meget høje tryk for at forblive flydende ved visse temperaturer og har potentiale til at forårsage korrosion.

Helium har betydelige fordele i forhold til vand. Den vigtigste egenskab for fusion er, at helium kan modstå temperaturer så høje som nødvendigt og kun er begrænset af de faste materialer, der indeholder det. Derudover er det mere effektivt end vand eller damp, når termisk energi omdannes til elektricitet, på grund af tolerancen ved høje temperaturer.

For at studere den rolle helium kunne spille som et kølemiddel, måtte ORNL-fusionsforskere overvinde en anden udfordring. Selvom heliumkøling blev fremhævet som et af topniveaubehovene for fusionstæppestudier ved American Physical Society-Division of Plasma Physics 2019-2020 US fusion community planlægningsproces, var infrastrukturen til at gøre denne forskning til virkelighed endnu ikke på plads . Derfor besluttede Kessel og hans team at bygge deres eget.

Testsløjfen – som består af en pumpe, et netværk af rør og en testsektion samlet i en 10-fods terningform – virker enkel, men kræver en masse finjustering.

"Vi er i øjeblikket ved at teste samlingen for eventuelle utætheder, og i de kommende uger vil vi begynde at teste trykket, som vil stige, indtil vi når 600 pund per kvadrattomme eller omkring 40 atmosfærer," sagde Kessel.

En præcis labyrint

Heliumkøling byder på udfordringer, herunder dens lethed i både vægt og tæthed, hvilket gør det svært for gassen effektivt at fjerne varme.

For at løse dette problem udviklede Kessel og hans team en innovativ løsning:et sæt specialdesignede rør, der har små 3D-printede forhindringer inde i rørene for at hjælpe helium med at finde vej gennem kølesystemet og undgå stagnation. Når heliumstrømmen rammer forhindringerne, skaber det en turbulens, der tvinger gassen i forskellige retninger, hvilket igen forbedrer dens varmefjernelse og blanding.

Men formen, størrelsen og placeringen af ​​disse forhindringer kan ikke overlades til tilfældighederne. For at finde det mest effektive design har teamet indsamlet geometriske data ved hjælp af beregningsmæssige væskedynamiksimuleringer.

"Selvom ideen om at bruge forhindringsfyldte strømningskanaler til at forbedre heliums varmefjernelse har svævet rundt i godt to årtier, har vi altid manglet en systematisk undersøgelse af, hvordan forskellige typer forstyrrelser griber ind i gassen. Dette præcisionsniveau vil være nødvendigt, når man skal tackle designet af fremtidige fusionsreaktorer," sagde Kessel.

Med databehandling kan forskere udvikle optimerede heliumturbulensmodeller, der er i stand til at fungere effektivt i fusionsreaktorer. Indtil videre har holdet produceret omkring 10 forskellige forstyrrelsesmønstre. De forventer, at geometrierne bliver mere og mere komplekse, så de er afhængige af avancerede fremstillingsteknikker til at producere nye testsektioner.

"Jeg ser frem til de detaljerede sammenligninger af beregningsmæssigt forudsagt heliumflow gennem disse forstyrrelser kombineret med eksperimentel visualisering af disse flowmønstre. Dette vil tage studiet af heliumafkøling og forståelse af dets flowadfærd til det næste niveau, hvor forudsigelser med sikkerhed kan vendes ind i faktiske designs," sagde Kessel. + Udforsk yderligere

Integrering af varme kerner og kølige kanter i fusionsreaktorer