Actividades del Grupo de Investigación de Tecnologías Nucleares Avanzadas (ANT) de la UPC en el ámbito de la Tecnología de Fusión.
El Grupo de Investigación en Tecnologías Nucleares Avanzadas (ANT) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) contribuye a varias tareas del proyecto FusionCAT:
- T1.2 Evaluación experimental y validación de códigos de simulación de fusión, con BSC e IQS,
- T2.3 Simulación de flujos de metal líquido usando CFD de alta precisión, con CTTC (UPC), y
- T3.3 Modelado dinámico de ciclos de potencia con CO2 supercrítico para plantas nucleares de fusión, encaminado al diseño de Sistemas de Control, también con el CTTC.
Estas tareas están estrechamente ligadas a la actividad investigadora de ANT en Tecnología de Fusión durante la última década, principalmente relacionada con los componentes y sistemas auxiliares de las Envolturas Regeneradoras (Breeding Blankets). Dichas envolturas cumplen tres funciones en un reactor de fusión: blindaje de los imanes, recuperación del calor producido en el plasma, y producción de tritio, uno de los combustibles de fusión.
Para ser sostenible, la Energía de Fusión debe lograr la autosuficiencia en tritio. Este isótopo del hidrógeno se producirá en los Breeding Blankets (BB) a partir de la reacción de los neutrones que escapan del plasma con litio. En algunos de los diseños de BB propuestos, el tritio se producirá en litio-plomo, un metal líquido que se utiliza como refrigerante y como material reproductor.
Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) aplicada a los Breeding Blankets.
El metal líquido, al ser conductor de electricidad, presentará efectos Magneto-Hidro-Dinámicos bajo el campo magnético utilizado para mantener el plasma en su lugar. Por ejemplo, las pérdidas de presión en el flujo debido a los efectos MHD son altas y aumentan con la velocidad del fluido y el campo magnético. Los perfiles de velocidad en los flujos MHD son bastante diferentes a los de otros tipos de flujos, lo que lleva a diferentes valores de transferencia de calor y de permeación de tritio. ANT ha implementado modelos MHD en OpenFOAM, una herramienta de dinámica de fluidos computacional (CFD) de código abierto, para modelar y comprender el comportamiento del litio-plomo en los BB. También se han agregado a OpenFOAM modelos para el transporte de tritio
En este aspecto, vale la pena notar que se produce helio en la misma proporción que tritio (mol a mol) en la reacción neutrón-litio. Se cree que la solubilidad del helio es extremadamente baja en litio-plomo. Se postula pues que aparecerán burbujas de helio en el metal líquido dentro de los BB, como consecuencia de la producción de helio, las presiones relativamente bajas y el alto tiempo de residencia. Debe estudiarse la interacción de las burbujas de helio con el campo magnético aplicado externamente y se esperan efectos importantes sobre el transporte de tritio. ANT analizará todos estos problemas e intentará cuantificar dichos efectos.
Fig 1. Resultados de la simulación de una caja con un gradiente de temperatura perpendicular al campo magnético con Gr = 4 × 106 y Ha = 500. (v, velocidad, f, potencial eléctrico, T, temperatura) (E.Mas de les Valls et al. 2011 https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2011.02.075)
Control de inventario de tritio
Resulta de especial interés el análisis de la migración de tritio dentro de los fluidos y a través de los materiales estructurales. Las emisiones ambientales de tritio deben mantenerse muy bajas debido a los requisitos de Protección Radiológica; esto, a su vez, obliga a mantener un bajo inventario de tritio en la planta (a fin de minimizar la migración hacia el exterior), y a un preciso control de inventario.
ANT ha desarrollado modelos de migración de tritio y otras especies hidrogenadas, tanto para herramientas CFD (como OpenFOAM) como para códigos unidimensionales ad-hoc. Estas herramientas ayudan a comprender la importancia relativa de las distintas vías de migración del tritio en los sistemas de una planta de fusión y, en una primera etapa, se utilizarán para simular las instalaciones experimentales del Institut Químic de Sarrià (IQS).
ANT está trabajando en el desarrollo de una estrategia de control de inventario dinámico que se basa en sensores como los que se están desarrollando en el IQS y herramientas validadas de modelado predictivo. El objetivo final es poder rastrear la concentración de tritio en la planta mediante la superposición de predicciones a nivel de sistema con mediciones localizadas.
Fig 2. Simulación de un experimento en el IQS. Datos experimentales (naranja). Primero se aplica un corrector de error de histéresis (violeta), luego un filtro pasa bajos (rojo) para finalmente estimar (verde) el valor real (azul). (JM Sojo, MSc Thesis, 2018, http://hdl.handle.net/2117/120236)
Conversión de energía
Una planta nuclear de fusión tiene como objetivo producir electricidad. La conversión de potencia con ciclos de CO2 supercrítico presenta varias ventajas frente a otras alternativas: principalmente su compacidad y su mayor eficiencia en los rangos de temperatura de funcionamiento del refrigerante primario de los reactores de fusión.
En un escenario futuro con una gran penetración de las energías renovables en la red eléctrica, la operación flexible de las centrales nucleares será imprescindible. El diseño y la operación de estas plantas requerirán herramientas de análisis dinámico robustas y flexibles.
ANT está explorando las capacidades de códigos termohidráulicos de sistema existentes, como RELAP5-3D, y otras herramientas más flexibles (como la caja de herramientas Modelica) para modelar los sistemas hidráulicos de una planta de fusión, con el objetivo de diseñar una estrategia de control adecuada. El objetivo final es contar con herramientas que permitan maximizar la producción eléctrica de la planta nuclear de fusión mientras se asegura que los parámetros de operación (tales como presiones y temperaturas) se mantienen dentro de los límites de las especificaciones técnicas. Sin embargo, para lograr este objetivo será necesario conocer el comportamiento de los intercambiadores de calor y turbomáquinas que operan con un fluido cercano a su punto crítico.
Fig 3. Lazo de conversión de CO2 supercrítico modelado en Modelica®