{"id":3202,"date":"2021-06-17T12:55:48","date_gmt":"2021-06-17T10:55:48","guid":{"rendered":"https:\/\/fusioncat.es\/?p=3202"},"modified":"2021-06-17T16:49:19","modified_gmt":"2021-06-17T14:49:19","slug":"tech-activitats-de-recerca-del-cttc-upc-en-el-camp-de-fusio-des-de-lanalisi-de-sistemes-termics-dins-de-les-tecnologies-de-cicles-de-potencia-de-co2-supercritic-fins-el-high-performance-com","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/noticies\/tech-activitats-de-recerca-del-cttc-upc-en-el-camp-de-fusio-des-de-lanalisi-de-sistemes-termics-dins-de-les-tecnologies-de-cicles-de-potencia-de-co2-supercritic-fins-el-high-performance-com\/","title":{"rendered":"[Tech] Activitats de Recerca del CTTC UPC en el camp de Fusi\u00f3 des de l\u2019an\u00e0lisi de Sistemes T\u00e8rmics dins de les tecnolog\u00edes de cicles de pot\u00e8ncia de CO2 supercr\u00edtic fins el High Performance Computing per a CFD-MHD en els processos de refrigeraci\u00f3 dels breeding blankets."},"content":{"rendered":"

El Centre Tecnol\u00f2gic de Transfer\u00e8ncia de Calor (CTTC) \u00e9s un Grup de Recerca de la Universitat Polit\u00e8cnica de Catalunya BARCELONA TECH (UPC) dedicat a la formulaci\u00f3 matem\u00e0tica, la resoluci\u00f3 num\u00e8rica i la validaci\u00f3 experimental de fen\u00f2mens de transfer\u00e8ncia de calor i massa aplicat a la optimizaci\u00f3 t\u00e8rmica i fluido din\u00e0mica d\u2019equips i sistemes t\u00e8rmics. Aprofitant tot aquest coneixement, el CTTC participa en diferents tasques relacionades amb la simulaci\u00f3 num\u00e8rica mitjan\u00e7ant Din\u00e0mica de Fluids Computacional (CFD) d\u2019alta fidelitat en High Performance Computing (HPC) per fluxes de metall l\u00edquid i la modelitzaci\u00f3 din\u00e1mica de cicles de pot\u00e8ncia de CO2<\/sub> supercr\u00edtics per a les plantes nuclears de fusi\u00f3 dins de FusionCAT Projecte 2 \u201d \u201cNeutr\u00f2nica, producci\u00f3 de Triti i cicle operacional del combustible\u201d i Projecte 3 \u201cEstudis del reactor de Fusi\u00f3\u201d, respectivament.<\/p>\n

 <\/p>\n

Simulaci\u00f3 CFD d’alta fidelitat de metalls l\u00edquids. Aplicaci\u00f3 a breeding blankets.<\/strong><\/p>\n

Els reactors de fusi\u00f3 nuclear tenen el potencial de generar grans quantitats d’energia lliure de CO2<\/sub> utilitzant combustibles (deuteri i triti) \u00e0mpliament disponibles i pr\u00e0cticament inesgotables. Per fer-ho, s’ha de produir triti durant la reacci\u00f3 de fusi\u00f3. Aix\u00f2 es du a terme en les denominades breeding blankets (BB) on el triti (i l\u2019heli) resulten de la interacci\u00f3 del liti i els neutrons generats en el proc\u00e9s de fusi\u00f3. A Europa, una de les opcions de disseny per a reactors de pot\u00e8ncia com l\u2019ITER \u00e9s un BB de plom-liti refrigerat amb heli.<\/p>\n

Els par\u00e0metres clau per al disseny d\u2019un BB son la caiguda de pressi\u00f3 magnetohidrodin\u00e0mica (MHD), el coeficient de transfer\u00e8ncia de calor, la permeabilitat del triti i els inventaris de triti. Tanmateix, hi ha una manca de correlacions espec\u00edfiques per a metalls l\u00edquids, especialment en pres\u00e8ncia de camps magn\u00e8tics. El present projecte pret\u00e9n ser un pas m\u00e9s enll\u00e0 de l’estat de l’art dels codis actuals amb la fi de permetre estudis num\u00e8rics detallats dels fen\u00f2mens de transfer\u00e8ncia de calor en metalls l\u00edquids amb pres\u00e8ncia de forts camps magn\u00e8tics. Amb aquest objectiu, en primer lloc hem realitzat una avaluaci\u00f3 dels models de simulaci\u00f3 Large-Eddy Simulation (LES) existents per a metalls l\u00edquids turbulents fent una comparaci\u00f3 amb els resultats de Direct Numerical Simulation (DNS) obtinguts en el superordinador MareNostrum4 (veure Figura 1). En la Figura 2 es mostren resultats il\u00b7lustratius mostrant la millora significativa lograda pels models LES.<\/p>\n

 <\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Figura 1 \u2013 <\/strong> Direct Numerical Simulation d\u2019una convecci\u00f3 Rayleigh-B\u00e9nard turbulenta de sodi l\u00edquid utilitzant una malla de 1910 millons de volums de control i 3872 CPU-core en el superordinador MareNsotrum 4.<\/small><\/p>\n

\"Figure

Figura 2<\/strong> \u2013 Avaluaci\u00f3 de diferents models LES per a la predicci\u00f3 del nombre de Nusselt. A l’eix horitzontal inferior es mostra el nombre de volums de control i a l’eix horitzontal superior el cost computacional.<\/small><\/p><\/div>\n

\"Right:

Figura 2<\/strong> \u2013 Efecte del model LES-S3QR (proposat per investigadors del CTTC) la predicci\u00f3 de l\u2019energia cin\u00e8tica turbulenta. Els resultats es comparen amb els resultats de DNS obtinguts en el superordinador MareNostrum4.<\/small><\/p><\/div>\n

 <\/p>\n

 <\/p>\n

<\/div>\n

Apart d’aix\u00f2, hem estat treballant en la portabilitat eficient del codi en la varietat d’arquitectures computacionals (CPU, GPU, ARM, MIC …) que estan competint en la carrera cap al HPC d’exaescala. Per a aix\u00f2, les operacions computacionals que conformen l\u2019algoritme, els denominats kernels, han de ser compatibles amb el paral\u00b7lelisme MIMD de mem\u00f2ria distribu\u00efda i compartida i, el que \u00e9s m\u00e9s important, amb el stream processing, que \u00e9s un paradigma paral\u00b7lel m\u00e9s restrictiu. En conseq\u00fc\u00e8ncia, quant menor sigui el nombre de kernels d\u2019una aplicaci\u00f3, m\u00e9s f\u00e0cil en ser\u00e0 la seva portabilitat. Per tant, el codi finalment es basar\u00e0 en un conjunt redu\u00eft d\u2019operacions algebraiques: el producte matriu sparse-vector (SpMV), la combinaci\u00f3 lineal de dos vectors i el producte escalar. Aquest enfoc algebraic combinat amb una implementaci\u00f3 h\u00edbrida paral\u00b7lela MPI+OpenMP+OpenCL proporcionar\u00e0 de manera natural portabilitat (i alt rendiment) en una \u00e0mplia gamma d\u2019arquitectures computacionals (veure Figura 3).<\/p>\n

 <\/p>\n

\n

\"\"<\/p>\n

Figura 3<\/strong> \u2013 Superordinadors on s’ha provat el nou codi basat en kernels algebraics. Els resultats detallats es poden trobar a X.\u00c1lvarez et al.<\/em> Computers & Fluids, 214:104768, 2021<\/a>.<\/small><\/p>\n

 <\/p>\n

SIMULACI\u00d3 DE SISTEMES T\u00c8RMICS DE CICLES AMB sCO2<\/sub> I INESTABILITATS EN EL CONTROL RELACIONADES AMB LA TURBOMAQUINARIA<\/strong><\/p>\n<\/div>\n

Dins de la investigaci\u00f3 associada a la planta DEMO (que va m\u00e9s enll\u00e0 d\u2019ITER i \u00e9s el seg\u00fcent pas cap a futurs desenvolupaments de fusi\u00f3), s\u2019ha proposat un cicle de CO2 supercr\u00edtic com una alternativa prometedora a les actuals unitats de conversi\u00f3 de pot\u00e8ncia. S\u2019ha demostrat que aquest tipus de cicle \u00e9s for\u00e7a eficient per als rangs de temperatures que es poden trobar al refrigerant primari dels futurs reactors de fusi\u00f3.<\/p>\n

L\u2019objectiu d\u2019aquest projecte \u00e9s agafar impuls cap a la modelitzaci\u00f3 dels fen\u00f2mens implicats en les diferents fases d\u2019aquests cicles, amb una atenci\u00f3 especial en el comportament del CO2<\/sub> en condicions properes al punt cr\u00edtic, i aplicar els models desenvolupats al disseny d\u2019estrat\u00e8gies de control adequades per als cicles de pot\u00e8ncia de CO2<\/sub> a les centrals nuclears de fusi\u00f3.<\/p>\n

Una de les principals avantatges del cicle \u00e9s el fet que l\u2019entrada del compressor est\u00e0 a prop del punt cr\u00edtic, augmentant de manera significativa la densitat i reduint el treball requerit en comparaci\u00f3 amb un cicle cl\u00e0ssic de Brayton. No obstant aix\u00f2, el CO2<\/sub> canvia fortament les seves propietats prop del punt cr\u00edtic esmentat (Figura 4), la qual cosa crea un doble repte tecnol\u00f2gic i de modelitzaci\u00f3:<\/p>\n

Els models simplificats classics de compressors es basen en mapes de rendiment que assumeixen comportament de gas ideal amb un coeficient adiab\u00e0tic constant. Les propietats reals del sCO2<\/sub> estan lluny d\u2019aquestes suposicions. CTTC-UPC ha centrat el seu treball a identificar nous models de reducci\u00f3 per implementar nous mapes de rendiment en un model Modelica de compressor que reprodueixi el comportament real (Figura 5).<\/p>\n

\"\" \"\"<\/p>\n

 <\/p>\n

 <\/p>\n

\n

Figura 4<\/strong> \u2013 Projecci\u00f3 del coeficient adiab\u00e0tic i del factor de compressibilitat Z del CO2<\/sub> a prop del punt critic.<\/small><\/p>\n<\/div>\n

\"\" \"\"<\/p>\n

 <\/p>\n

\n

Figura 5<\/strong> \u2013 Correcci\u00f3 deguda als nous models de reducci\u00f3, en funci\u00f3 de les condicions d\u2019entrada comparades amb el punt nominal.<\/small><\/p>\n<\/div>\n

A causa de la fragilitat esmentada de les propietats d\u2019entrada del compressor, molt depenents de la pressi\u00f3 i la temperatura, \u00e9s crucial un modelatge adequat del intercanviador de calor (pre-refrigerador) de circuit impress, localitzat aig\u00fces amunt del compressor. El paper de CTTC-UPC en el projecte \u00e9s analitzar les caracter\u00edstiques m\u00e9s rellevants de l\u2019intercanviador de calor (transfer\u00e8ncia de calor, fricci\u00f3, distribuci\u00f3 de flux, resposta din\u00e0mica) i resumir-les en un model Modelica simplificat.<\/p>\n

En resum, els models actualitzats de compressors i intercanviadors de calor s\u00f3n probablement els dos m\u00e9s cr\u00edtics per tal de generar un bess\u00f3 digital del cicle de pot\u00e8ncia de sCO2<\/sub> amb una resposta realista. Aquesta planta ser\u00e0 llavors adequada per definir i verificar les lleis de control per obtenir la millor estabilitat i rendiment del funcionament de la planta.<\/p>\n

Aquest treball realitzat per CTTC UPC s\u2019utilitzar\u00e0 en col\u00b7laboraci\u00f3 amb el Grup de Recerca en Tecnologies Nuclears Avan\u00e7ades (ANT) de la UPC per incorporar aquests models a tot un cicle de conversi\u00f3 de CO2<\/sub> supercr\u00edtic modelat a MODELICA per ANT amb finalitats d\u2019estrat\u00e8gia de control i optimitzaci\u00f3.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

El Centre Tecnol\u00f2gic de Transfer\u00e8ncia de Calor (CTTC) \u00e9s un Grup de Recerca de […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":3134,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[44],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3202"}],"collection":[{"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=3202"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3202\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":3210,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3202\/revisions\/3210"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/media\/3134"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=3202"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=3202"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=3202"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}