Activitats del Grup de Recerca en Tecnologies Nuclears Avançades (ANT) de la UPC en l’àmbit de la Tecnologia de Fusió.

El Grup de Recerca en Tecnologies Nuclears Avançades (ANT) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) contribueix a diverses tasques del projecte FusionCAT:

  • T1.2 Avaluació experimental i validació de codis de simulació de fusió, amb BSC i IQS,
  • T2.3 Simulació de fluxos de metall líquid amb CFD d’alta precisió, amb CTTC (UPC), i
  • T3.3 Modelat dinàmic de cicles de potència amb CO2 supercrític per a plantes nuclears de fusió, encaminat al disseny de Sistemes de Control, també amb el CTTC.

Aquestes tasques estan estretament lligades a l’activitat investigadora d’ANT en Tecnologia de Fusió durant l’última dècada, principalment relacionada amb els components i sistemes auxiliars dels Embolcalls Regeneradors (Breeding Blankets). Aquests embolcalls compleixen tres funcions en un reactor de fusió: blindatge dels imants, recuperació de la calor produïda en el plasma, i producció de triti, un dels combustibles de fusió.

Per ser sostenible, l’Energia de Fusió ha d’assolir l’autosuficiència en triti. Aquest isòtop de l’hidrogen es produirà en els Breeding Blankets (BB) a partir de la reacció dels neutrons que escapin del plasma amb el liti. En alguns de los dissenys de BB proposats, el triti es produirà en liti-plom, un metall líquid que s’utilitza com a refrigerant i com a material reproductor.

 

Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) aplicada als Breeding Blankets.

El metall líquid, essent conductor d’electricitat, presentarà efectes Magneto-Hidro-Dinàmics sota el camp magnètic utilitzat per mantenir el plasma al seu lloc. Per exemple, les pèrdues de pressió en el flux a causa dels efectes MHD són elevades i augmenten amb la velocitat del fluid i el camp magnètic. Els perfils de velocitat en els fluxos MHD són força diferents als d’altres tipus de fluxos, i això duu a diferents valors de transferència de calor i de permeació de triti. ANT ha implementat models MHD en OpenFOAM, una eina de dinàmica de fluids computacional (CFD) de codi obert, per modelar i comprendre el comportament del liti-plom en els BB. També s’han afegit a OpenFOAM models per al transport de triti

En aquest aspecte, cal fer palès que es produeix heli en la mateixa proporció que triti (mol a mol) en la reacció neutró-liti. Es creu que la solubilitat de l’heli és extremadament baixa en liti-plom. Es postula doncs que apareixeran bombolles d’heli en el metall líquid dins dels BB, como a conseqüència de la producció d’heli, las pressions relativament baixes i l’elevat temps de residència. És necessari estudiar la interacció de les bombolles d’heli amb el camp magnètic aplicat externament i hom espera efectes importants sobre el transport de triti. ANT analitzarà tots aquests problemes i intentarà quantificar-ne els efectes.

UPC’s Advanced Nuclear Technologies 1

Fig 1. Resultats de la simulació d’una caixa amb un gradient de temperatura perpendicular al campo magnètic con Gr = 4 × 106 y Ha = 500. (v, velocitat, f, potencial elèctric, T, temperatura) (E.Mas de les Valls et al. 2011 https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2011.02.075)

 

Control de l’inventari de triti

Resulta d’especial interès l’anàlisi de la migració de triti dins dels fluids i a través dels materials estructurals. Les emissions ambientals de triti s’han de mantenir molt baixes per complir els requisits de Protecció Radiològica; això, al seu torn, obliga a mantenir un inventari petit de triti a la planta (per tal de minimitzar la migració cap a l’exterior), i a un estricte control de l’inventari.

ANT ha desenvolupat models de migració de triti i altres espècies hidrogenades, tant per a eines CFD (com OpenFOAM) com per a codis unidimensionals ad hoc. Aquestes eines ajuden a comprendre la importància relativa de les diferents vies de migració del triti en els sistemes d’una planta de fusió i, en una primera etapa, s’utilitzaran per simular les instal·lacions experimentals de l’Institut Químic de Sarrià (IQS).

ANT està treballant en el desenvolupament d’una estratègia de control d’inventari dinàmic que es basa en sensors, com els que s’estan desenvolupant a l’IQS, i eines validades de modelat predictiu. L’objectiu final és poder rastrejar la concentració de triti a la planta mitjançant la superposició de prediccions a nivell de sistema amb mesuraments localitzats.

UPC’s Advanced Nuclear Technologies 2

Fig 2. Simulació d’un experiment a l’IQS. Dades experimentals (taronja). Primer s’aplica un corrector d’error d’histèresi (lila), després un filtre passa baixos (vermell) per estimar (verd) el valor real (blau). (JM Sojo, MSc Thesis, 2018, http://hdl.handle.net/2117/120236)

 

Conversió d’energia

Una planta nuclear de fusió té com a objectiu produir electricitat. Els cicles de conversió de potencia de CO2 supercrític presenten diversos avantatges en front a d’altres alternatives: principalment la seva compacitat i la seva major eficiència en els rangs de temperatura de funcionament del refrigerant primari dels reactors de fusió.

En un escenari futur amb una gran penetració de les energies renovables en la xarxa elèctrica, l’operació flexible de les centrals nuclears serà imprescindible. El disseny i l’operació d’aquestes plantes requeriran eines d’anàlisi dinàmica robustes i flexibles.

ANT està explorant les capacitats de codis termohidràulics de sistema existents, com RELAP5-3D, i altres eines més flexibles (com la caixa d’eines Modelica) per modelar els sistemes hidràulics d’una planta de fusió, amb l’objectiu de dissenyar una estratègia de control adequada. L’objectiu final és comptar amb eines que permetin maximitzar la producció elèctrica de la planta nuclear de fusió tot assegurant que els paràmetres d’operació (com ara pressions i temperatures) es mantenen dins dels límits de les especificacions tècniques. Per aconseguir aquest objectiu, però, serà necessari conèixer el comportament dels bescanviadors de calor i turbomàquines operant amb un fluid proper al seu punt crític.

UPC’s Advanced Nuclear Technologies 3

Fig 3. Llaç de conversió de CO2 supercrític modelat en Modelica®