![[Tech] Development of a new topological optimization model to improve the efficiency of components for nuclear fusion.](https://fusioncat.es/wp-content/uploads/2021/01/development.jpg)
La fusió nuclear és una de les poques tecnologies amb el potencial de satisfer la creixent demanda energètica a través de fonts d’energia sostenibles, segures i baixes en emissions. Motivada per aquests reptes tant científics com tecnològics, la comunitat d’entitats catalanes que treballen en l’àmbit de la tecnologia de fusió nuclear congrega els seus esforços al projecte de recerca FusionCAT.
En aquest projecte, Eurecat participa en el Projecte 3: Estudis del reactor de fusió a través de la seva Línia de Simulació Avançada, integrada dins de la Unitat de Desenvolupament de Producte Innovador. Més específicament, Eurecat està involucrat en la Tasca 3.2: Modelat, anàlisi i disseny de components d’acceleradors per a instal·lacions d’investigació de materials de fusió, liderant la Subtasca 3: Estudis termo-mecànics i de dinàmica de fluids computacional de components sotmesos al feix de l’accelerador IFMIF-DONES i la Subtasca 4: Anàlisis de socis industrials per a la obtenció de futurs potencials contractes i col·laboracions en el marc de programes de fusió internacional.
La Línia de Simulació Avançada d’Eurecat està formada per un equip d’enginyers experts en càlcul numèric amb àmplia experiència en projectes dirigits a l’anàlisi, disseny i optimització de productes, estructures, sistemes fluido-dinàmics i processos, mitjançant la implementació de mètodes de disseny i simulació avançats a nivell multi-físic, com el mètode dels elements finits (FEM), la dinàmica de fluids computacional (CFD), el disseny generatiu o l’optimització topològica.
Aquesta línia compta amb diverses plataformes de simulació com Ansys, Simulia, Altair, entre d’altres, les quals proporcionen capacitat per reproduir numèricament un ampli rang de físiques en l’àmbit mecànic, fluido-dinàmic, reològic, transferència de calor, electromagnètic…
Eurecat i IREC porten anys col·laborant en projectes dirigits a analitzar i dissenyar components sotmesos al feix de l’accelerador IFMIF-DONES. La gran densitat d’energia del feix d’aquest accelerador fa que aquests components treballin en condicions crítiques, especialment a nivell de temperatures així com de tensions tèrmiques. Aquest fet presenta un repte important, ja que pot posar en risc el correcte funcionament i la seguretat de tot el sistema.
Aquest repte es pot abordar principalment des de dos vessants. Per una banda a través de l’ús de materials especials que siguin capaços de suportar, amb seguretat, les temperatures i les tensions tèrmiques derivades i que presentin al mateix temps una bona capacitat barrera al feix de l’accelerador. Eurecat i IREC han estat avaluant diferents alternatives de materials, però encara que sí que existeixen materials capaços de suportar les condicions de treball, aquests no ho fan amb el suficient marge de seguretat i/o presenten altres limitacions importants, especialment a nivell de cost, disponibilitat en les mides necessàries i complexitat de mecanització i de soldadura.
L’altra vessant des de la que es pot abordar aquest repte és a través del disseny, especialment en quant al circuit de refrigeració. Eurecat ha treballat el disseny i anàlisi dels components i dels pertinents circuits de refrigeració, desenvolupant models de simulació multi-físics basats en la dinàmica de fluids computacional (CFD) i el mètode dels elements finits (FEM), capaços de reproduir numèricament el règim turbulent del fluid així com la transferència de calor en tot el sistema i les tensions i distorsions tèrmiques derivades. A través d’aquest models, Eurecat implementa un procés d’optimització iteratiu disseny-simulació, modificant el disseny del component segons els resultats de simulació obtinguts en cada iteració fins assolir un disseny que es pugui considerar òptim.
Aquest és un mètode d’optimització tradicional que presenta limitacions importants. Per una banda, te un gran component subjectiu on l’experiència i capacitat d’interpretació de resultats de l’enginyer juguen un paper important. Per altra banda es un procés manual que requereix de molta dedicació per cada iteració, el que comporta que sovint el nombre d’iteracions que es poden fer es limitat.
Per tal d’abordar aquestes limitacions, Eurecat desenvoluparà, en el projecte FusionCAT, un nou mètode d’optimització topològica. L’optimització topològica es un mètode específic de disseny generatiu, el qual està basat en mètodes de simulació numèrica i que permet obtenir la geometria òptima a partir d’un espai de disseny en funció d’uns objectius i restriccions especificats. Aquest mètode està molt estès en l’àmbit estructural, però no en l’àmbit de la dinàmica de fluids i transferència de calor. El nou mètode d’optimització topològica desenvolupat per Eurecat serà capaç d’integrar aquestes físiques, de tal manera que permeti optimitzar els components sotmesos al feix de l’accelerador IFMIF-DONES a un nivell sense precedents.
També es pretén que el nou mètode permeti fer l’optimització a nivell multi-escala, es a dir, que no només permeti determinar en quines zones de l’espai de disseny hi ha d’haver material o no, si no que també sigui capaç de determinar si en alguna zona en concret (per exemple la zona on impacta el feix) és millor que hi hagi material amb una certa porositat i determinar com i quina ha de ser aquesta porositat per obtenir resultats òptims. En funció del tipus de porositat determinada pel model, posteriorment es dissenyaran estructures amb porositat ad-hoc (per exemple basades en estructures lattice o en superfícies minimals ) mitjançant mètodes de disseny generatiu, les quals es podran fabricar per mitjà de tecnologies d’impressió 3D.