Limity chlazení první stěny fúzních reaktorů tlakovou vodou

Abstract

Jedním z kandidátů na blanket fúzních energetických reaktorů je vodou chlazený blanket WCLL. Konstrukčním materiálem blanketu je feriticko martenzitická ocel Eurofer97 se sníženou aktivací a chladivem je tlaková voda za podmínek typických pro reaktory typu PWR. Podle odhadů se očekává, že první stěna, tj. stěna blanketu vystavená plazmatu, bude zatížena špičkovým tepelným tokem až 7 MW·m-2, přičemž maximální provozní teplota oceli Eurofer97 nesmí překročit 550 °C. Předchozí studie ukázaly, že základní navrhovaný koncept rovinné první stěny dokáže při uvedeném teplotním limitu oceli Eurofer97 odvádět tepelný tok pouze do výše 0,75 MW·m-2, a tedy je nutné hledat jiné cesty jak odvádět vyšší tepelný tok bez překročení materiálových limitů. Tato práce se zabývá způsoby možného zvýšení tepelného toku za stanovených podmínek. Jedná se o zvyšování přestupu tepla na straně chladiva pomocí promotérů turbulence, geometrickou úpravu první stěny a snížení teploty tlakové vody na vstupu do chladicího kanálu. Pro studii tepelné zátěže jednotlivých modifikací první stěny byl využit CFD výpočetní program ANSYS Fluent. Na základě provedených simulací byly výsledky zpracovány, analyzovány a vyhodnoceny. Studie ukázala, že maximální využití všech analyzovaných způsobů řešení umožňuje zvýšit tepelný tok do první stěny WCLL modulu až na 1,69 MW·m-2, což představuje navýšení o 125 %. Ani všechny použité návrhy úprav však nejsou dostatečné pro zajištění odvodu předpokládaného maximálního tepelného toku do první stěny.One of the candidates for the blanket of fusion power reactors is the water cooled blanket WCLL. The blanket construction material is the reduced activation ferritic-martensitic steel Eurofer97 and the coolant is pressurized water under conditions typical for PWRs. The first wall, i.e. the blanket wall exposed to plasma, is expected to be loaded with the peak heat flux of up to 7 MW·m-2, while the maximum operating temperature of the Eurofer97 steel must not exceed 550 °C. Previous studies have shown that the basic proposed planar first wall concept can only dissipate heat flux of up to 0.75 MW·m-2 at the specified temperature limit of Eurofer97 steel. It is therefore necessary to look for other ways to dissipate higher heat fluxes without exceeding of predefined material limits. This paper investigates the possibilities of increasing the heat flux under the specified conditions. These include increasing the heat transfer on the coolant side by using turbulence promoters, geometric modification of the first wall and lowering the temperature of pressurized water at the inlet to the cooling channel. The CFD calculation program ANSYS Fluent was used to study the heat load of the different modifications of the first wall. Based on the simulations performed, the results were processed, analyzed and evaluated. The study showed that the maximized use of all of the analyzed solutions allows to increase the heat flux to the first wall of the WCLL module up to 1.69 MW·m-2, which represents an increase of 125%. However, even all these modifications are not sufficient to ensure the dissipation of the expected maximum heat flux to the first wall.