{"id":3947,"date":"2022-04-20T16:58:30","date_gmt":"2022-04-20T14:58:30","guid":{"rendered":"https:\/\/fusioncat.es\/tech-multiscale-simulations-of-gas-liquid-metal-two-phase-flow-for-fusion-reactor-blankets-design\/"},"modified":"2022-09-20T17:32:01","modified_gmt":"2022-09-20T15:32:01","slug":"ant2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/noticies\/ant2\/","title":{"rendered":"[Tech] Simulacions multiescala de flux bif\u00e0sic gas-metall l\u00edquid per al disseny d’embolcalls de reactors de fusi\u00f3"},"content":{"rendered":"

Per aconseguir l’autosufici\u00e8ncia en triti, un dels conceptes de disseny m\u00e9s prometedors del reactor de fusi\u00f3 EU DEMO inclou embolcalls regeneradors (BB) que utilitzen l’aliatge eut\u00e8ctic l\u00edquid de plom-liti (EPL) com a refrigerant i\/o reproductor de triti. El triti es produeix a trav\u00e9s de reaccions (nuclears) de captura de neutrons per is\u00f2tops de liti a l\u2019EPL. Es prefereix l\u2019EPL al liti l\u00edquid pur per motius de seguretat.<\/p>\n

En el curs de les reaccions nuclears de reproducci\u00f3 del triti, es produeix heli en la mateixa quantitat (nombre de mols) que el triti. La solubilitat extremadament baixa de l’heli a l\u2019EPL ha desencadenat la preocupaci\u00f3 d’un possible problema de nucleaci\u00f3 que afectaria dr\u00e0sticament els principals par\u00e0metres de disseny de BB, que inclouen: (1) la caiguda de pressi\u00f3 MHD, (2) el coeficient de transfer\u00e8ncia de calor , (3) la permeaci\u00f3 de triti i (4) els inventaris de triti. A m\u00e9s, en ser l\u2019EPL un metall l\u00edquid (ML) conductor el\u00e8ctric, aquest presentar\u00e0 efectes Magneto-Hidro-Din\u00e0mics (MHD) sota el camp magn\u00e8tic utilitzat per mantenir el plasma al seu lloc. Aquests efectes han de modificar els perfils de velocitat i, amb aix\u00f2, les caracter\u00edstiques de transfer\u00e8ncia de calor i de triti.<\/p>\n

El comportament poc conegut del flux bif\u00e0sic de gas-metall l\u00edquid acoblat amb efectes MHD resulta, como era d\u2019esperar, en una marcada falta de correlacions per als par\u00e0metres de disseny. En aquest escenari, les simulacions num\u00e8riques amb codis de sistema o models 1D no poden capturar amb precisi\u00f3 suficient la complexitat del flux. Els estudis experimentals de BB en condicions de treball rellevants s\u00f3n un desafiament tecnol\u00f2gic i requereixen costosos esfor\u00e7os de recerca. Alternativament, els models CFD destaquen com a eines poderoses i flexibles per investigar les tend\u00e8ncies dels principals par\u00e0metres del sistema i obtenir les correlacions necess\u00e0ries per ajudar els dissenyadors de sistemes BB a prendre decisions. En aquest sentit, els models CFD desenvolupats pel nostre grup s’han utilitzat amb \u00e8xit per descriure fen\u00f2mens MHD [1,2], nucleaci\u00f3 d’heli [3,4] i transport de triti [5] a BB de reactors de fusi\u00f3. Usant aquests models, hem trobat, per exemple, la influ\u00e8ncia de variables de disseny sobre el par\u00e0metre que defineix el transport de calor (Nu, n\u00famero de Nusselt) (Figura 1<\/strong>):<\/p>\n

\"a\"

Figura 1. Depend\u00e8ncia del n\u00famero de Nusselt de la velocitat del fluid (Re), la magnitud de la deposici\u00f3 t\u00e8rmica (Gr), i la intensitat del campo magn\u00e8tic (Ha).<\/em><\/p><\/div>\n

 <\/p>\n

Aquesta aproximaci\u00f3 a les correlacions de transport s\u2019ha desenvolupat per a fluxos monof\u00e0sics de metalls l\u00edquids. No obstant aix\u00f2, hi ha dos escenaris on els fluxos bif\u00e0sics gas- metall l\u00edquid sota la influ\u00e8ncia d’un camp magn\u00e8tic s\u00f3n rellevants en una BB: 1) una fuita d’heli pressuritzat al ML a causa d’una p\u00e8rdua de refrigerant, i (2) la pres\u00e8ncia de bombolles nucleades a causa de les altes taxes de producci\u00f3 d’heli, pressions de treball relativament baixes i temps de resid\u00e8ncia del ML llargs.<\/p>\n

La interacci\u00f3 de fluxos bif\u00e0sics de gas-metall l\u00edquid amb un campo magn\u00e8tic ha cridat l\u2019atenci\u00f3 dels investigadors durant els \u00faltims 60 anys. La major part dels estudis en la literatura estan dedicats a la investigaci\u00f3 de r\u00e8gims de flux rellevants per a escenaris d\u2019accidents com els que involucren una fuita d\u2019heli pressuritzat en el ML. Els estudis rellevants per a les condicions operatives normals (\u00e9s a dir, bombolles d\u2019heli nucleades al ML) s\u00f3n escassos i no concloents degut a la manca d’experiments i a enfocaments simplificats. L’aparici\u00f3 de bombolles de He nucleades influeix en la traject\u00f2ria dels corrents el\u00e8ctrics que governen el fenomen MHD i el transport de triti. Per tant, \u00e9s important estudiar a escala molecular els mecanismes de formaci\u00f3 de bombolles mitjan\u00e7ant simulacions atom\u00edstiques i, a escala macrosc\u00f2pica, la interacci\u00f3 del flux He\/EPL amb el camp magn\u00e8tic.<\/p>\n

 <\/p>\n

Simulacions atom\u00edstiques de la nucleaci\u00f3 d\u2019heli a EPL<\/strong><\/p>\n

Els grups de recerca ANT i SIMCON de la UPC han establert un projecte multinivell i multienfocament per investigar la nucleaci\u00f3 d’heli a l\u2019EPL de manera rigorosa utilitzant teories i eines d’\u00faltima generaci\u00f3. Amb l’objectiu de resoldre els principals problemes i preocupacions passats de la investigaci\u00f3 associada, s’ha seleccionat la Din\u00e0mica Molecular (MD) com a pedra angular en la metodologia, i ens hi referim quan parlem de simulacions atom\u00edstiques. Els m\u00e8todes MD es basen en la f\u00edsica estad\u00edstica per descriure la naturalesa atom\u00edstica, les propietats i el comportament de la mat\u00e8ria i les fases. En ess\u00e8ncia, els m\u00e8todes MD s’utilitzen per descriure l’estat l\u00edquid del sistema (heli en EPL). La termodin\u00e0mica estad\u00edstica permet establir un pont entre les propietats “nanosc\u00f2piques” i macrosc\u00f2piques. Per exemple, les simulacions atom\u00edstiques s\u00f3n capaces de reproduir propietats termof\u00edsiques experimentals de l\u2019EPL com a densitat, capacitats calor\u00edfiques, punts de fusi\u00f3, tensi\u00f3 superficial, etc.<\/p>\n

Per descomptat, les capacitats abans esmentades requereixen una entrada fiable i precisa per descriure les interaccions atom\u00edstiques. L’entrada principal, i generalment desconeguda o incerta, \u00e9s el potencial interat\u00f2mic que regeix com dos \u00e0toms (per exemple, el potencial de Lennard-Jones) o un grup d’\u00e0toms (potencial de molts cossos) interactuen entre si. Actualment, el projecte es divideix en m\u00f2duls que utilitzen diferents enfocaments (c\u00e0lcul ab initio, Lennard-Jones, potencials de molts cossos, estimacions te\u00f2riques) amb procediments de verificaci\u00f3 i validaci\u00f3 jer\u00e0rquics. Aix\u00f2 \u00e9s degut a la complexitat del sistema que s’investiga, l’escassetat de dades experimentals equivalents i la validesa limitada de moltes teories rellevants.<\/p>\n

Com a exemple, la Figura 2 <\/strong>mostra la tensi\u00f3 superficial en funci\u00f3 del nombre d\u2019\u00e0toms d\u2019heli en una bombolla a dues temperatures, 470 K y 843 K. Es van considerar diferents m\u00e8todes: (a) el m\u00e8tode de Thompson [6] (creus blaves i taronges) considera un punt de vista atom\u00edstic, tenint en compte la component normal de la pressi\u00f3, encara que cal assumir simetria esf\u00e8rica i equilibri mec\u00e0nic; (b) l’equaci\u00f3 cl\u00e0ssica de Young-Laplace (punts verds i vermells, amb pressions calculades directament a partir de la simulaci\u00f3 \u2013 teorema del virial, i l’equaci\u00f3 d’estat de Hurly-Moldover [7], respectivament) estima la tensi\u00f3 superficial, per\u00f2 no pot ser precisa a la nanoescala; (c) de manera similar, les creus marrons usen l’equaci\u00f3 de capil\u00b7laritat; (d) els punts morats representen la relaci\u00f3 entre l’energia cohesiva de les bombolles (com una estimaci\u00f3 del treball de formaci\u00f3) i l’\u00e0rea de superf\u00edcie.<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

\"\"

Figura 2. Tensi\u00f3 superficial (en liti l\u00edquid) depenent del nombre d\u2019\u00e0toms d\u2019heli a les bombolles a temperatures de 470 K (a dalt) i 843 K (a baix).<\/p><\/div>\n

 <\/p>\n

Per a metalls l\u00edquids pesants i aliatges com EPL, els potencials del M\u00e8tode d’\u00c0tom Embegut (EAM) s\u00f3n m\u00e9s precisos per descriure la interacci\u00f3 atom\u00edstica degut a la seva alta densitat (empaquetament d’\u00e0toms) i estructura electr\u00f2nica complexa. Aquesta part del projecte es complementa amb c\u00e0lculs \u201cab initio\u201d destinats a obtenir par\u00e0metres importants, com l’estructura del l\u00edquid, que no estan disponibles a bases de dades experimentals o no es poden obtenir experimentalment.<\/p>\n

La capacitat de reproduir la coexist\u00e8ncia de fases (per exemple, s\u00f2lid\/l\u00edquid, l\u00edquid-gas, etc.) en equilibri mitjan\u00e7ant simulacions atom\u00edstiques \u00e9s el principal motiu de la seva\u00a0 implementaci\u00f3 per predir la nucleaci\u00f3 i la solubilitat de l\u2019heli en EPL. Com a il\u00b7lustraci\u00f3 simple, la Figura 3<\/strong> mostra l\u2019aplicaci\u00f3 a l\u2019estimaci\u00f3 del punt de fusi\u00f3 del liti pur, que se estima en 457\u00a0K (el punto de fusi\u00f3 experimental es 454 K). Aquesta t\u00e8cnica es basa en obtenir una simulaci\u00f3 termodin\u00e0micament estable de fases de liti l\u00edquides i s\u00f2lides amb dues interf\u00edcies. Els resultats s’obtenen utilitzant un potencial EAM mixt per representar liti l\u00edquid pur i EPL que ha estat desenvolupat pel grup ANT per als prop\u00f2sits del projecte, i amb millores sobre els trobats a la literatura.<\/p>\n

\"\"

Figur<\/em>a<\/em> 3.<\/em> \u00c0toms de liti s\u00f2lid\/l\u00edquid en coexist\u00e8ncia i equilibri termodin\u00e0mic. La temperatura a qu\u00e8 el sistema es va relaxar representa l’estimaci\u00f3 del punt de fusi\u00f3. Els \u00e0toms verds estan en fase l\u00edquida (observeu l’ordre aleatori) i els \u00e0toms blaus estan en fase s\u00f2lida (observeu l’ordre sistem\u00e0tic segons l’estructura BCC del liti s\u00f2lid)<\/em><\/p><\/div>\n

 <\/p>\n

Simulacions CFD de fluxos bif\u00e0sics gas\/metall l\u00edquid<\/strong><\/p>\n

Per simular (a escala macrosc\u00f2pica) la din\u00e0mica de les bombolles d’heli a l\u2019EPL i les seves caracter\u00edstiques de transfer\u00e8ncia de massa, s’estan desenvolupant i validant alguns models CFD utilitzant les dades disponibles a la literatura. Els c\u00e0lculs inicials, per provar els models, s’han fet utilitzant arg\u00f3 i galinst\u00e0 com a fluids de refer\u00e8ncia. Les entrades, suposicions i condicions de contorn utilitzades en aquest estudi s\u00f3n essencialment les mateixes que les utilitzades per Miao et al. [8]. La Figura 4<\/strong> mostra el domini computacional i una malla t\u00edpica utilitzada en la seva discretitzaci\u00f3. El problema que es planteja consisteix en la injecci\u00f3 de bombolles de gas a una columna amb un metall l\u00edquid (estant en rep\u00f2s sense flux de gas) a trav\u00e9s d’un \u00fanic orifici situat a la part inferior. El fluid est\u00e0 situat dins un camp magn\u00e8tic homogeni, que es pot alinear en direcci\u00f3 vertical (longitudinal) o horitzontal (transversal).<\/p>\n

\"\"

Figura 4. Domini computacional i malla t\u00edpica utilitzada en las simulacions.<\/em><\/p><\/div>\n

La Figura 5<\/strong> il\u00b7lustra la influ\u00e8ncia del camp magn\u00e8tic en la fracci\u00f3 de volum de les bombolles i la distribuci\u00f3 espacial de la velocitat del metall l\u00edquid. Es pot observar la tend\u00e8ncia del flux a alinear-se amb el camp magn\u00e8tic. A la Figura 6<\/strong> tamb\u00e9 es mostren alguns resultats preliminars para a la distribuci\u00f3 radial de la velocitat vertical del l\u00edquid. Es poden observar les similituds entre el perfil de refer\u00e8ncia i l’obtingut. A m\u00e9s, tamb\u00e9 s’ha investigat la influ\u00e8ncia de diversos par\u00e0metres, com el di\u00e0metre de la bombolla i el camp magn\u00e8tic, com s’il\u00b7lustra a la figura de la dreta.<\/p>\n

\"\"

Figura 5. Influ\u00e8ncia d\u2019un camp magn\u00e8tic longitudinal en un flux bif\u00e0sic de gas-metall l\u00edquid.<\/em><\/p><\/div>\n

 <\/p>\n

\"\"

Figura 6. Perfils de velocitat vertical del l\u00edquid en la direcci\u00f3 radial a mitja al\u00e7ada de la columna de metall l\u00edquid: (esquerra) perfil de refer\u00e8ncia [8]; (centre) perfil simulat; (dreta) influ\u00e8ncia de diferents condicions experimentals (di\u00e0metre de bombolla i camp magn\u00e8tic).<\/em><\/p><\/div>Conclusi\u00f3<\/strong><\/p>\n

Els grups de recerca ANT i SIMCON de la UPC coordinen esfor\u00e7os en la investigaci\u00f3 del fenomen de nucleaci\u00f3 d’heli al metall l\u00edquid que circula als embolcalls regeneradors d’un futur reactor nuclear de fusi\u00f3. La Din\u00e0mica Molecular \u00e9s central en la metodologia.<\/p>\n

ANT tamb\u00e9 est\u00e0 investigant la simulaci\u00f3 de fluxos bif\u00e0sics (bombolles d’heli en eut\u00e8ctic de plom-liti) en condicions rellevants per a reactors de fusi\u00f3.<\/p>\n

Els resultats obtinguts s\u00f3n prometedors i se segueix treballant a bon ritme.<\/p>\n

 <\/p>\n

Refer\u00e8ncies<\/strong><\/p>\n

[1]\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0 E.M. De Les Valls, L. Batet, V. De Medina, J. Fradera, L. Sedano, Modelling of integrated effect of volumetric heating and magnetic field on tritium transport in a U-bend flow as applied to HCLL blanket concept, Fusion Eng. Des. 86 (2011) 341\u2013356. doi:10.1016\/j.fusengdes.2011.02.075.<\/p>\n

[2]\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0 D. Suarez, E. Iraola, C. Lamp\u00f3n, E. Mas de les Valls, L. Batet, Liquid metal MHD flow influence on heat transfer phenomena in fusion reactor blankets, Fusion Eng. Des. 170 (2021) 112503 (10 pp). doi:10.1016\/j.fusengdes.2021.112503.<\/p>\n

[3]\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0 L. Batet, J. Fradera, E.M.D. Les Valls, L.A. Sedano, Numeric implementation of a nucleation, growth and transport model for helium bubbles in lead-lithium HCLL breeding blanket channels: Theory and code development, Fusion Eng. Des. 86 (2011) 421\u2013428. doi:10.1016\/j.fusengdes.2011.03.074.<\/p>\n

[4]\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0 J. Fradera, L. Sedano, E. Mas De Les Valls, L. Batet, Implementation of two-phase tritium models for helium bubbles in HCLL breeding blanket modules, J. Nucl. Mater. 417 (2011) 739\u2013742. doi:10.1016\/j.jnucmat.2011.02.008.<\/p>\n

[5]\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0 L. Batet, E. Mas De Les Valls, L.A. Sedano, Mathematical models for tritium permeation analysis in liquid metal flows with helium bubbles, Fusion Eng. Des. 89 (2014) 1158\u20131162. doi:10.1016\/j.fusengdes.2014.04.031.<\/p>\n

[6]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 S. Thompson, K. Gubbins, J. Walton, R. Chantry, and J. Rowlinson, A molecular dynamics study of liquid drops,The Journal of chemical physics 81, 530 (1984). doi:10.1063\/1.447358<\/a><\/p>\n

[7]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 J. J. Hurly and M. R. Moldover, Ab initio values of the thermophysical properties of helium as standards,Journal of research of the National Institute of Standards and Technology 105, 667 (2000)<\/p>\n

[8]\u00a0\u00a0 \u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 X. Miao, D. Lucas, Z. Ren, S. Eckert, G. Gerbeth, Numerical modeling of bubble-driven liquid metal flows with external static magnetic field, Int. J. Multiph. Flow. 48 (2013) 32\u201345. doi:10.1016\/j.ijmultiphaseflow.2012.07.014.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Per aconseguir l’autosufici\u00e8ncia en triti, un dels conceptes de disseny m\u00e9s prometedors del reactor […]<\/p>\n","protected":false},"author":6,"featured_media":3931,"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\/3947"}],"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\/6"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=3947"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3947\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":3953,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3947\/revisions\/3953"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/media\/3931"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=3947"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=3947"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/fusioncat.es\/ca\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=3947"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}