![[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 fusión nuclear es una de las pocas tecnologías con el potencial de satisfacer la creciente demanda energética a través de fuentes de energía sostenibles, seguras y bajas en emisiones. Motivada por estos retos científicos y tecnológicos, la comunidad de entidades catalanas que trabajan en el ámbito de la tecnología de fusión nuclear congrega sus esfuerzos en el proyecto de investigación FusionCAT.
En este proyecto, Eurecat participa en el Proyecto 3: Estudios del reactor de fusión, a través de su Línea de Simulación Avanzada, integrada dentro de la Unidad de Desarrollo de Producto Innovador. De manera más específica, Eurecat está involucrado en la Tarea 3.2: Modelado, análisis y diseño de componentes de aceleradores para instalaciones de investigación de materiales de fusión, liderando la Subtarea 3: Estudios termo-mecánicos y de dinámica de fluidos computacional de componentes sometidos al haz del acelerador IFMIF-DONES y la Subtarea 4: Análisis de socios industriales para la obtención de futuros potenciales contratos y colaboraciones en el marco de programas de fusión internacional.
La Línea de Simulación Avanzada de Eurecat está formada por un equipo de ingenieros expertos en calculo numérico y con amplia experiencia en proyectos dirigidos al análisis, diseño y optimización de productos, estructuras, sistemas fluido-dinámicos y procesos, mediante la implementación de métodos de diseño y simulación avanzada a nivel multi-físico, como el método de los elementos finitos (FEM), la dinámica de fluidos computacional (CFD), el diseño generativo o la optimización topológica.
Esta línea cuenta con diversas plataformas de simulación como Ansys, Simulia, Altair, entre otras, las cuales proporcionan capacidad para reproducir numéricamente un amplio rango de físicas en el ámbito mecánico, fluido-dinamico, reológico, transferencia de calor, electromagnético…
Eurecat e IREC llevan años colaborando en proyectos dirigidos a analizar y diseñas componentes sometidos al haz del acelerador IFMIF-DONES. La gran densidad de energía del haz de este acelerador provoca que estos componentes trabajen en condiciones críticas, especialmente a nivel de temperaturas, así como de tensiones térmicas. Este hecho presenta un reto importante, ya que puede poner en riesgo el correcto funcionamiento y la seguridad de todo el sistema.
Este reto se puede abordar principalmente desde dos vertientes. Por una parte, a través del uso de materiales especiales que sean capaces de soportar, con seguridad, las temperaturas y las tensiones térmicas derivadas y que presenten al mismo tiempo una buena capacidad barrera al haz del acelerador. Eurecat e IREC han estado evaluando diferentes alternativas de materiales, pero, aunque sí que existen materiales capaces de soportar las condicione de trabajo, estos no lo hacen con el suficiente margen de seguridad y/o presentan otras limitaciones importantes, especialmente a nivel de coste, disponibilidad en las medidas necesarias y complejidad de mecanización y de soldadura.
La otra vertiente desde la que se puede abordar este reto es a través del diseño, especialmente en cuanto al circuito de refrigeración. Eurecat ha trabajado en el diseño y el análisis de los componentes y de los pertinentes circuitos de refrigeración, desarrollando modelos de simulación multi-físicos basados en la dinámica de fluidos computacional (CFD) y el método de los elementos finitos (FEM), capaces de reproducir numéricamente el régimen turbulento del fluido, así como la transferencia de calor en todo el sistema y las tensiones y distorsiones térmicas derivadas. A través de estos modelos, Eurecat implementa un proceso de optimización iterativo diseño-simulación, modificando el diseño del componente según los resultados de simulación obtenidos en cada iteración hasta conseguir un diseño que se pueda considerar óptimo.
Este es un método de optimización tradicional que presenta limitaciones importantes. Por un lado, tiene un gran componente subjetivo en el que la experiencia y capacidad de interpretación de resultados del ingeniero juegan un papel relevante. Por otra parte, es un proceso manual que requiere mucha dedicación por cada iteración, lo que conlleva que a menudo el número de iteraciones que se puedan hacer sea limitado.
Para abordar estas limitaciones, Eurecat desarrollará, en el proyecto FusionCAT, un nuevo método de optimización topológica. La optimización topológica es un método especifico de diseño generativo, el cual está basado en métodos de simulación numérica y que permite obtener la geometría óptima a partir de un espacio de diseño en función de unos objetivos y restricciones especificados. Este método está muy extendido en el ámbito estructural, pero no en el ámbito de la dinámica de fluidos y transferencia de calor. El nuevo método de optimización topológica desarrollado por Eurecat será capaz de integrar estas físicas, de tal manera que permita optimizar los componentes sometidos al haz del acelerador IFMIF-DONES a un nivel sin precedentes.
También se pretende que el nuevo método permita hacer la optimización a nivel multi-escala, es decir, que no solamente permita determinar en qué zonas del espacio de diseño tiene que haber material o no, sino que también sea capaz de determinar si en alguna zona en concreto (por ejemplo, la zona en que impacta el haz) es mejor que haya material con una cierta porosidad y determinar cómo y cuál debe ser esta porosidad para obtener resultados óptimos. En función del tipo de porosidad determinada por el modelo, posteriormente se diseñarán estructuras con porosidad ad-hoc (por ejemplo, basadas en estructuras lattice o en superficies minimals) mediante métodos de diseño generativo, los cuales se podrán fabricar a través de tecnologías de impresión 3D.