Om praktische energie uit fusie te verkrijgen, moet extreme warmte van de "deken"-component van het fusiesysteem veilig en efficiënt worden onttrokken. Fusie-experts van Oak Ridge National Laboratory onderzoeken hoe kleine 3D-geprinte obstakels in de smalle pijpen van een op maat gemaakt koelsysteem een ​​oplossing kunnen zijn om warmte uit de deken te verwijderen.

Een team van ORNL test deze aanpak in een heliumstroomlussysteem dat is gebouwd om te bepalen welke geometrieën het meest effectief zijn om de gasstroom in continue beweging te helpen, waardoor de metalen structuren worden gekoeld. De inspanning brengt ORNL's expertise op het gebied van fusietechnologie samen met de geavanceerde productiemogelijkheden van het laboratorium.

In fusiesystemen is de deken een warmteabsorberend onderdeel in de reactor, dat het plasma in het vacuümvat omgeeft om andere onderdelen tegen extreme hitte te beschermen. De deken is meestal tussen de 0,5 en 1,5 meter dik. Bovendien speelt de deken een cruciale rol bij het opvangen van warmte-energie van neutronen en het genereren van fusiebrandstof.

"We pakken een fusie-onderzoeksprobleem aan dat ernstig onderbelicht is sinds de jaren negentig, toen wetenschappers voor het eerst ontdekten dat sommige verstoringen de warmteoverdracht kunnen vergroten", zegt Charles Kessel, leider van ORNL's Fusion Nuclear Science, Technology, and Engineering Section en directeur van de Virtueel Laboratorium voor Technologie.

Terwijl de internationale ITER-fusiefaciliteit wordt geassembleerd en andere fusie-apparaten in bedrijf of in ontwikkeling zijn, blijft er een wereldwijde behoefte aan algemene koeltechnologieoplossingen ter ondersteuning van een toekomstige fusieproeffabriek.

Om elektriciteit op te wekken uit toekomstige fusiereactoren, moet het plasma temperaturen bereiken die heter zijn dan de zon. Er is een koelsysteem nodig om beschadiging van vitale componenten van de reactor te voorkomen, terwijl ervoor wordt gezorgd dat de kern van het apparaat blijft werken bij hoge temperaturen en efficiënte energieopwekking bereikt.

In de afgelopen decennia hebben onderzoekers ideeën ontwikkeld en getest om dit te doen met behulp van systemen op waterbasis. Maar helium biedt verschillende voordelen ten opzichte van water in de omgeving van een fusiereactor met hoge temperatuur, variërend van veiligheid tot materiaalcompatibiliteit en hoge thermische conversie-efficiëntie.

"Water werkt niet goed met verminderde activering ferritisch martensitisch, of RAFM, ​​een staalsoort die de materiaalgemeenschap heeft ontwikkeld als een mogelijk belangrijk onderdeel voor fusiereactoren. Om nog maar te zwijgen van het feit dat het gebruik van water ook een besmettingsrisico zou kunnen vormen in het geval dat van een lek," zei Kessel.

Bovendien kan water een interactie aangaan met lithiumverbindingen die worden gebruikt voor de productie van tritium, de belangrijkste kandidaat voor het voeden van fusiereactoren. Het vereist ook zeer hoge drukken om bij bepaalde temperaturen vloeibaar te blijven en kan corrosie veroorzaken.

Helium heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van water. De belangrijkste eigenschap voor fusie is dat helium bestand is tegen temperaturen die zo hoog zijn als nodig is en alleen wordt beperkt door de vaste materialen die het bevatten. Bovendien is het efficiënter dan water of stoom bij het omzetten van thermische energie in elektriciteit, vanwege de tolerantie voor hoge temperaturen.

Om de rol van helium als koelmiddel te bestuderen, moesten ORNL-fusieonderzoekers een andere uitdaging overwinnen. Hoewel heliumkoeling werd benadrukt als een van de belangrijkste behoeften voor fusiedekenstudies bij het planningsproces van de American Physical Society-Division of Plasma Physics 2019-2020 van de Amerikaanse fusiegemeenschap, was de infrastructuur om dit onderzoek te realiseren nog niet aanwezig . Daarom hebben Kessel en zijn team besloten om er zelf een te bouwen.

De testlus - die bestaat uit een pomp, een netwerk van leidingen en een testgedeelte dat is samengesteld in een kubusvorm van 10 voet - lijkt eenvoudig, maar vereist veel fijnafstemming.

"We testen de assemblage momenteel op eventuele lekken en in de komende weken zullen we beginnen met het testen van de druk, die zal toenemen tot we 600 pond per vierkante inch of ongeveer 40 atmosfeer bereiken", zei Kessel.

Een precies doolhof

Heliumkoeling brengt uitdagingen met zich mee, waaronder zijn lichtheid in zowel gewicht als dichtheid, waardoor het moeilijk is voor het gas om warmte effectief te verwijderen.

Om dat probleem op te lossen, ontwikkelden Kessel en zijn team een ​​innovatieve oplossing:een set speciaal ontworpen buizen met kleine 3D-geprinte obstakels in de buizen om helium te helpen zijn weg door het koelsysteem te vinden en stagnatie te voorkomen. Wanneer de stroom helium de obstakels raakt, ontstaat er een turbulentie die het gas in verschillende richtingen dwingt, wat op zijn beurt de warmteafvoer en -menging verbetert.

Maar de vorm, grootte en positie van deze obstakels mogen niet aan het toeval worden overgelaten. Om het meest efficiënte ontwerp te vinden, heeft het team geometrische gegevens verzameld met behulp van computationele vloeistofdynamica-simulaties.

"Hoewel het idee om met obstakels gevulde stroomkanalen te gebruiken om de warmteafvoer van helium te verbeteren al meer dan twee decennia rondzweeft, hebben we altijd een systematische studie gemist van hoe verschillende soorten verstoringen met het gas omgaan. Dit niveau van precisie zal worden nodig bij het ontwerp van toekomstige fusiereactoren", zegt Kessel.

Met computers kunnen wetenschappers geoptimaliseerde heliumturbulentiemodellen ontwikkelen die effectief kunnen werken in fusiereactoren. Tot nu toe heeft het team ongeveer 10 verschillende verstoringspatronen geproduceerd. Ze verwachten dat de geometrieën steeds complexer worden, dus vertrouwen ze op geavanceerde productietechnieken om nieuwe testsecties te produceren.

"Ik kijk uit naar de gedetailleerde vergelijkingen van de computationeel voorspelde heliumstroom door deze verstoringen in combinatie met experimentele visualisatie van die stroompatronen. Dit zal de studie van heliumkoeling en het begrip van zijn stroomgedrag naar een hoger niveau tillen waar voorspellingen met vertrouwen kunnen worden gedraaid in daadwerkelijke ontwerpen", aldus Kessel. + Verder verkennen

Integratie van hete kernen en koele randen in fusiereactoren