{"id":3206,"date":"2021-06-17T13:02:27","date_gmt":"2021-06-17T11:02:27","guid":{"rendered":"https:\/\/fusioncat.es\/?p=3206"},"modified":"2021-06-17T16:49:42","modified_gmt":"2021-06-17T14:49:42","slug":"tech-actividades-de-investigacion-del-cttc-upc-en-el-campo-de-fusion-desde-el-analisis-de-sistemas-termicos-dentro-de-las-tecnologias-de-ciclos-de-potencia-de-co2-supercritico-hasta-el-high-performa","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fusioncat.es\/es\/noticias\/tech-actividades-de-investigacion-del-cttc-upc-en-el-campo-de-fusion-desde-el-analisis-de-sistemas-termicos-dentro-de-las-tecnologias-de-ciclos-de-potencia-de-co2-supercritico-hasta-el-high-performa\/","title":{"rendered":"[Tech] Actividades de Investigaci\u00f3n del CTTC UPC en el campo de Fusi\u00f3n desde el an\u00e1lisis de Sistemas T\u00e9rmicos dentro de las tecnolog\u00edas de ciclos de potencia de CO2 supercr\u00edtico hasta el High Performance Computing para CFD-MHD en los procesos de refrigeraci\u00f3n de los breeding blankets."},"content":{"rendered":"

El Centro Tecnol\u00f3gico de Transferencia de Calor (CTTC) es un Grupo de Investigaci\u00f3n de la Universitat Polit\u00e8cnica de Catalunya BARCELONA TECH (UPC) dedicado a la formulaci\u00f3n matem\u00e1tica, la resoluci\u00f3n num\u00e9rica y la validaci\u00f3n experimental de fen\u00f3menos de transferencia de calor y masa aplicado a la optimizaci\u00f3n t\u00e9rmica y fluido din\u00e1mica de equipos y sistemas t\u00e9rmicos. Aprovechando todo este conocimiento, el CTTC participa en diferentes tareas relacionadas con la simulaci\u00f3n num\u00e9rica mediante Din\u00e1mica de Fluidos Computacional (CFD) de alta fidelidad en High Performance Computing (HPC) para flujos de metal l\u00edquido y la modelizaci\u00f3n din\u00e1mica de ciclos de potencia de CO2<\/sub> supercr\u00edticos para las plantas nucleares de fusi\u00f3n dentro de FusionCAT Proyecto 2 \u201d \u201cNeutr\u00f3nica, producci\u00f3n de Tritio y ciclo operacional del combustible\u201d y Proyecto 3 \u201cEstudios del reactor de Fusi\u00f3n\u201d, respectivamente.<\/p>\n

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Simulaci\u00f3n CFD de alta fidelidad de metales l\u00edquidos. Aplicaci\u00f3n a breeding blankets.<\/strong><\/p>\n

Los reactores de fusi\u00f3n nuclear tienen el potencial de proporcionar enormes cantidades de energ\u00eda libre de CO2<\/sub> utilizando combustibles (deuterio y tritio) ampliamente disponibles y pr\u00e1cticamente inagotables. Para hacerlo, se debe producir tritio durante la reacci\u00f3n de fusi\u00f3n. Esto se lleva a cabo en las denominadas breeding blankets (BB) donde el tritio (y el helio) resultan de la interacci\u00f3n del litio y los neutrones generados en el proceso de fusi\u00f3n. En Europa, una de las opciones de dise\u00f1o para reactores de potencia como el ITER es un BB de plomo-litio refrigerado con helio.<\/p>\n

Los par\u00e1metros clave para el dise\u00f1o de un BB son la ca\u00edda de presi\u00f3n magneto hidrodin\u00e1mica (MHD), el coeficiente de transferencia de calor, la permeabilidad del tritio y los inventarios de tritio. Sin embargo, hay una falta de correlaciones espec\u00edficas para los metales l\u00edquidos, especialmente en presencia de campos magn\u00e9ticos. El presente proyecto pretende ser un paso m\u00e1s all\u00e1 del estado del arte de los c\u00f3digos actuales con el fin de permitir estudios num\u00e9ricos detallados de los fen\u00f3menos de transferencia de calor en metales l\u00edquidos con presencia de fuertes campos magn\u00e9ticos. Para ello, en primer lugar, hemos realizado una evaluaci\u00f3n de los modelos de simulaci\u00f3n Large-Eddy Simulation (LES) existentes para metales l\u00edquidos turbulentos haciendo una comparaci\u00f3n con los resultados de Direct Numerical Simulation (DNS) obtenidos en el superordenador MareNostrum4 (ver Figura 1). En la Figura 2 se muestran resultados ilustrativos mostrando la mejora significativa lograda por los modelos LES.<\/p>\n

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Figura 1 \u2013 <\/small><\/strong>Direct Numerical Simulation de una convecci\u00f3n Rayleigh-B\u00e9nard turbulenta de sodio l\u00edquido utilizando una malla de 1910 millones de vol\u00famenes de control y 3872 CPU-core en el superordenador MareNsotrum 4.<\/small><\/p>\n

\"Figure

Figura 2<\/strong> \u2013 Evaluaci\u00f3n de diferentes modelos LES para la predicci\u00f3n del n\u00famero de Nusselt. El eje horizontal inferior muestra el n\u00famero de vol\u00famenes de control y el eje horizontal superior el costo computacional.<\/small><\/p><\/div>\n

\"Right:

Figura 2<\/strong> \u2013 Efecto del modelo LES-S3QR (propuesto por investigadores del CTTC) la predicci\u00f3n de la energ\u00eda cin\u00e9tica turbulenta. Los resultados se comparan con los resultados de DNS llevados a cabo en el superordenador MareNostrum4.<\/small><\/p><\/div>\n

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Aparte de esto, hemos estado trabajando en la portabilidad eficiente del c\u00f3digo en la variedad de arquitecturas computacionales (CPU, GPU, ARM, MIC\u2026) que est\u00e1n compitiendo en la carrera hacia el HPC de exaescala. Para ello, las operaciones computacionales que conforman el algoritmo, los denominados kernels, deben ser compatibles con el paralelismo MIMD de memoria distribuida y compartida y, lo que es m\u00e1s importante, con el stream processing, que es un paradigma paralelo m\u00e1s restrictivo. En consecuencia, cuanto menor sea el n\u00famero de kernels de una aplicaci\u00f3n, m\u00e1s f\u00e1cil ser\u00e1 su portabilidad. Por lo tanto, el c\u00f3digo finalmente se basar\u00e1 en un conjunto reducido de operaciones algebraicas: a saber, el producto matriz sparse-vector (SpMV), la combinaci\u00f3n lineal de dos vectores y el producto escalar. Este enfoque algebraico combinado con una implementaci\u00f3n h\u00edbrida paralela MPI+OpenMP+OpenCL proporcionar\u00e1 de manera natural portabilidad (y alto rendimiento) en una amplia gama de arquitecturas computacionales (ver Figura 3).<\/p>\n

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Figura 3<\/strong> \u2013 <\/small>Superordenadores donde se ha probado el nuevo c\u00f3digo basado en kernels algebraicos. Los resultados detallados se pueden encontrar en X.\u00c1lvarez et al Computers & Fluids, 214:104768, 2021<\/a>.<\/small><\/p>\n

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SIMULACI\u00d3N DE SISTEMAS T\u00c8RMICOS DE CICLOS CON sCO2<\/sub> E INESTABILIDADES EN EL CONTROL RELACIONADAS CON LA TURBOMAQUINARIA<\/strong><\/p>\n<\/div>\n

Dentro de la investigaci\u00f3n asociada a la planta DEMO (que va m\u00e1s all\u00e1 de ITER y es el siguiente paso hacia futuros desarrollos de fusi\u00f3n), se ha propuesto un ciclo de CO2<\/sub> supercr\u00edtico como una alternativa prometedora a las actuales unidades de conversi\u00f3n de potencia. Se ha demostrado que este tipo de ciclo es bastante eficiente para los rangos de temperaturas que se pueden encontrar en el refrigerante primario de los futuros reactores de fusi\u00f3n.<\/p>\n

El objetivo de este proyecto es coger impulso hacia la modelizaci\u00f3n de los fen\u00f3menos implicados en las diferentes fases de estos ciclos, con una atenci\u00f3n especial en el comportamiento del CO2<\/sub> en condiciones cercanas al punto cr\u00edtico, y aplicar los modelos desarrollados en el dise\u00f1o de estrategias de control adecuadas para los ciclos de potencia de CO2<\/sub> en las centrales nucleares de fusi\u00f3n.<\/p>\n

Una de las principales ventajas del ciclo es el hecho de que la entrada del compresor est\u00e1 cerca del punto cr\u00edtico, aumentando de manera significativa la densidad y reduciendo el trabajo requerido en comparaci\u00f3n con un ciclo cl\u00e1sico de Brayton. Sin embargo, el CO2<\/sub> cambia fuertemente sus propiedades cerca del punto cr\u00edtico mencionado (Figura 4), lo que crea un doble reto tecnol\u00f3gico y de modelizaci\u00f3n:<\/p>\n

Los modelos simplificados cl\u00e1sicos de compresores se basan en mapas de rendimiento que asumen comportamiento de gas ideal con un coeficiente adiab\u00e1tico constante. Las propiedades reales del sCO2<\/sub> est\u00e1n lejos de estas suposiciones. CTTC-UPC ha centrado su trabajo en identificar nuevos modelos de reducci\u00f3n para implementar nuevos mapas de rendimiento en un modelo Modelica de compresor que reproduzca el comportamiento real (Figura 5).<\/p>\n

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Figura 4<\/strong> \u2013 Proyecci\u00f3n del coeficiente adiab\u00e1tico y del factor de compresibilidad Z del CO2<\/sub> cerca del punto cr\u00edtico.<\/small><\/p>\n<\/div>\n

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Figura 5<\/strong> \u2013 Correcci\u00f3n debida a los nuevos modelos de reducci\u00f3n, en funci\u00f3n de las condiciones de entrada comparadas con el punto nominal.<\/small><\/p>\n<\/div>\n

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Debido a la fragilidad mencionada de las propiedades de entrada del compresor, muy dependientes de la presi\u00f3n y la temperatura, es crucial un modelado adecuado del intercambiador de calor (pre-refrigerador) de circuito impreso, localizado aguas arriba del compresor. El papel de CTTC-UPC en el proyecto es analizar las caracter\u00edsticas m\u00e1s relevantes del intercambiador de calor (transferencia de calor, fricci\u00f3n, distribuci\u00f3n de flujo, respuesta din\u00e1mica) y resumirlas en un modelo Modelica simplificado.<\/p>\n

En resumen, los modelos actualizados de compresores e intercambiadores de calor son probablemente los dos m\u00e1s cr\u00edticos para generar un gemelo digital del ciclo de potencia de sCO2<\/sub> con una respuesta realista. Esta planta ser\u00e1 entonces adecuada para definir y verificar las leyes de control para obtener la mejor estabilidad y rendimiento del funcionamiento de la planta.<\/p>\n

Este trabajo realizado por CTTC UPC utilizar\u00e1 en colaboraci\u00f3n con el Grupo de Investigaci\u00f3n en Tecnolog\u00edas Nucleares Avanzadas (ANT) de la UPC para incorporar estos modelos en todo un ciclo de conversi\u00f3n de CO2 <\/sub>supercr\u00edtico modelado en Modelica por ANT con fines de estrategia de control y optimizaci\u00f3n.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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