{"id":3948,"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":"2022-09-20T17:33:52","modified_gmt":"2022-09-20T15:33:52","slug":"ant2","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/fusioncat.es\/es\/noticias\/ant2\/","title":{"rendered":"[Tech] Simulaciones multiescala de flujo bif\u00e1sico gas-metal l\u00edquido para el dise\u00f1o de envolturas de reactores de fusi\u00f3n"},"content":{"rendered":"

Para lograr la autosuficiencia en tritio, uno de los conceptos de dise\u00f1o m\u00e1s prometedores del reactor de fusi\u00f3n EU DEMO incluye envolturas regeneradoras (BB) que utilizan la aleaci\u00f3n eut\u00e9ctica l\u00edquida de plomo-litio (EPL) como refrigerante y\/o reproductor de tritio. El tritio se produce a trav\u00e9s de reacciones (nucleares) de captura de neutrones por is\u00f3topos de litio en el EPL. Se prefiere el EPL al litio l\u00edquido puro por motivos de seguridad.<\/p>\n

En el curso de las reacciones nucleares de reproducci\u00f3n del tritio, se produce helio en la misma cantidad (n\u00famero de moles) que el tritio. La solubilidad extremadamente baja del helio en EPL ha desencadenado la preocupaci\u00f3n de un posible problema de nucleaci\u00f3n que afectar\u00eda dr\u00e1sticamente los principales par\u00e1metros de dise\u00f1o de BB, que incluyen: (1) la ca\u00edda de presi\u00f3n MHD, (2) el coeficiente de transferencia de calor, (3) la permeaci\u00f3n de tritio y (4) los inventarios de tritio. Adem\u00e1s, al ser el EPL un metal l\u00edquido (ML) conductor el\u00e9ctrico, \u00e9ste presentar\u00e1 efectos Magneto-Hidro-Din\u00e1micos (MHD) bajo el campo magn\u00e9tico utilizado para mantener el plasma en su lugar. Estos efectos modificar\u00e1n los perfiles de velocidad y, con ello, las caracter\u00edsticas de transferencia de calor y de tritio.<\/p>\n

El comportamiento poco conocido del flujo bif\u00e1sico de gas-metal l\u00edquido acoplado con efectos MHD resulta, como era de esperar, en una marcada falta de correlaciones para los par\u00e1metros de dise\u00f1o. En este escenario, las simulaciones num\u00e9ricas con c\u00f3digos de sistema o modelos 1D no pueden capturar con precisi\u00f3n suficiente la complejidad del flujo. Los estudios experimentales de BB en condiciones de trabajo relevantes son un desaf\u00edo tecnol\u00f3gico y requieren costosos esfuerzos de investigaci\u00f3n. Alternativamente, los modelos CFD destacan como herramientas poderosas y flexibles para investigar las tendencias de los principales par\u00e1metros del sistema y obtener las correlaciones necesarias para ayudar a los dise\u00f1adores de sistemas BB a tomar decisiones. En este sentido, los modelos CFD desarrollados por nuestro grupo se han utilizado con \u00e9xito para describir fen\u00f3menos MHD [1,2], nucleaci\u00f3n de helio [3,4] y transporte de tritio [5] en BB de reactores de fusi\u00f3n. Usando estos modelos, hemos encontrado, por ejemplo, la influencia de variables de dise\u00f1o sobre el par\u00e1metro que define el transporte de calor (Nu, n\u00famero de Nusselt) (Figura 1<\/strong>):<\/p>\n

\"a\"

Figura 1. Dependencia del n\u00famero de Nusselt de la velocidad del fluido (Re), la magnitud de la deposici\u00f3n t\u00e9rmica (Gr), y la intensidad del campo magn\u00e9tico (Ha).<\/p><\/div>\n

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Esta aproximaci\u00f3n a las correlaciones de transporte se ha desarrollado para flujos monof\u00e1sicos de metales l\u00edquidos. Sin embargo, hay dos escenarios en los que los flujos bif\u00e1sicos gas-l\u00edquido metal bajo la influencia de un campo magn\u00e9tico son relevantes en un BB: 1) una fuga de helio presurizado en el ML debido a una p\u00e9rdida de refrigerante, y (2) la presencia de burbujas nucleadas a causa de las altas tasas de producci\u00f3n de helio, presiones de trabajo relativamente bajas y tiempos de residencia del ML largos.<\/p>\n

La interacci\u00f3n de flujos bif\u00e1sicos de gas-metal l\u00edquido con un campo magn\u00e9tico ha llamado la atenci\u00f3n de los investigadores durante los \u00faltimos 60 a\u00f1os. La mayor\u00eda de los estudios en la literatura est\u00e1n dedicados a la investigaci\u00f3n de reg\u00edmenes de flujo relevantes para escenarios de accidentes como aquellos que involucran una fuga de helio presurizado en el ML. Los estudios relevantes para las condiciones operativas normales (es decir, burbujas de He nucleadas en el ML) son escasos y no concluyentes debido a la falta de experimentos y a enfoques simplificados. La aparici\u00f3n de burbujas de He nucleadas influye en la trayectoria de las corrientes el\u00e9ctricas que gobiernan el fen\u00f3meno MHD y el transporte de tritio. Por tanto, es importante estudiar, a escala molecular, los mecanismos de formaci\u00f3n de burbujas mediante simulaciones atom\u00edsticas y, a escala macrosc\u00f3pica, la interacci\u00f3n del flujo He\/EPL con el campo magn\u00e9tico.<\/p>\n

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Simulaciones atom\u00edsticas de la nucleaci\u00f3n de He en EPL<\/strong><\/p>\n

Los grupos de investigaci\u00f3n ANT y SIMCON de la UPC han establecido un proyecto multinivel y multienfoque para investigar la nucleaci\u00f3n de helio en EPL de forma rigurosa utilizando teor\u00edas y herramientas de \u00faltima generaci\u00f3n. Con el objetivo de resolver los principales problemas y preocupaciones pasados de la investigaci\u00f3n asociada, se ha seleccionado la Din\u00e1mica Molecular (MD) como piedra angular en la metodolog\u00eda, y se nos referimos a ella cuando hablamos de simulaciones atom\u00edsticas. Los m\u00e9todos MD se basan en la f\u00edsica estad\u00edstica para describir la naturaleza atom\u00edstica, las propiedades y el comportamiento de la materia y las fases. En esencia, los m\u00e9todos MD se utilizan para describir el estado l\u00edquido del sistema (helio en EPL). La termodin\u00e1mica estad\u00edstica permite establecer un puente entre las propiedades \u00abnanosc\u00f3picas\u00bb y macrosc\u00f3picas. Por ejemplo, las simulaciones atom\u00edsticas son capaces de reproducir propiedades termof\u00edsicas experimentales del EPL como densidad, capacidades calor\u00edficas, puntos de fusi\u00f3n, tensi\u00f3n superficial, etc.<\/p>\n

Por supuesto, las capacidades antes mencionadas requieren una entrada confiable y precisa para describir las interacciones atom\u00edsticas. La entrada principal, y generalmente desconocida o incierta, es el potencial interat\u00f3mico que rige c\u00f3mo dos \u00e1tomos (por ejemplo, el potencial de Lennard-Jones) o un grupo de \u00e1tomos (potencial de muchos cuerpos) interact\u00faan entre s\u00ed. Actualmente, el proyecto se divide en m\u00f3dulos que utilizan diferentes enfoques (c\u00e1lculo ab initio, Lennard-Jones, potenciales de muchos cuerpos, estimaciones te\u00f3ricas) con procedimientos de verificaci\u00f3n y validaci\u00f3n jer\u00e1rquicos. Esto se debe a la complejidad del sistema que se investiga, la escasez de datos experimentales equivalentes y la validez limitada de muchas teor\u00edas relevantes.<\/p>\n

Como ejemplo, la Figura 2 <\/strong>muestra la tensi\u00f3n superficial en funci\u00f3n del n\u00famero de \u00e1tomos de helio en una burbuja a dos temperaturas, 470 K y 843 K. Se consideraron diferentes m\u00e9todos: (a) el m\u00e9todo de Thompson [6] (cruces azules y naranjas) considera un punto de vista atom\u00edstico, teniendo en cuenta la componente normal de la presi\u00f3n, aunque es necesario asumir simetr\u00eda esf\u00e9rica y equilibrio mec\u00e1nico; (b) la ecuaci\u00f3n cl\u00e1sica de Young-Laplace (puntos verdes y rojos, con presiones calculadas directamente a partir de la simulaci\u00f3n \u2013 teorema del virial, y la ecuaci\u00f3n de estado de Hurly-Moldover [7], respectivamente) estima la tensi\u00f3n superficial, pero no puede ser precisa en la nanoescala; (c) de manera similar, las cruces marrones usan la ecuaci\u00f3n de capilaridad; (d) los puntos morados representan la relaci\u00f3n entre la energ\u00eda cohesiva de las burbujas (como una estimaci\u00f3n de su trabajo de formaci\u00f3n) y su \u00e1rea de superficie.<\/p>\n

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Figure 2. Tensi\u00f3n superficial (en litio l\u00edquido) frente al n\u00famero de \u00e1tomos de helio de las burbujas a temperaturas de 470 K (izquierda) y 843 K (derecha).<\/p><\/div>\n

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Para metales l\u00edquidos pesados y aleaciones como el EPL, los potenciales del M\u00e9todo de \u00c1tomo Embebido (EAM) son m\u00e1s precisos para describir la interacci\u00f3n atom\u00edstica debido a su alta densidad (empaquetamiento de \u00e1tomos) y estructura electr\u00f3nica compleja. Esta parte del proyecto se complementa con c\u00e1lculos \u201cab initio\u201d destinados a obtener par\u00e1metros importantes, como la estructura del l\u00edquido, que no est\u00e1n disponibles en bases de datos experimentales o no se pueden obtener experimentalmente.<\/p>\n

La capacidad de reproducir la coexistencia de fases (por ejemplo, s\u00f3lido\/l\u00edquido, l\u00edquido-gas, etc.) en equilibrio mediante simulaciones atom\u00edsticas es la principal motivaci\u00f3n detr\u00e1s de su implementaci\u00f3n para predecir la nucleaci\u00f3n y la solubilidad del helio en EPL. Como ilustraci\u00f3n simple, la Figura 3<\/strong> muestra la aplicaci\u00f3n a la estimaci\u00f3n del punto de fusi\u00f3n del litio puro, que se estima en 457 K (el punto de fusi\u00f3n experimental es 454 K). Esta t\u00e9cnica se basa en la obtenci\u00f3n de una simulaci\u00f3n termodin\u00e1micamente estable de fases de litio l\u00edquidas y s\u00f3lidas con dos interfaces. Los resultados se obtienen utilizando un potencial EAM mixto para representar litio l\u00edquido puro y EPL que ha sido desarrollado por el grupo ANT para los prop\u00f3sitos del proyecto, y con mejoras sobre los encontrados en la literatura.<\/p>\n

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FFigura 3. \u00c1tomos de litio s\u00f3lido\/l\u00edquido en coexistencia y equilibrio termodin\u00e1mico. La temperatura a la cual el sistema se relaj\u00f3 representa la estimaci\u00f3n del punto de fusi\u00f3n. Los \u00e1tomos verdes est\u00e1n en fase l\u00edquida (obs\u00e9rvese el orden aleatorio) y los \u00e1tomos azules est\u00e1n en fase s\u00f3lida (obs\u00e9rvese el orden sistem\u00e1tico seg\u00fan la estructura BCC del litio s\u00f3lido).<\/p><\/div>\n

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Simulaciones CFD de flujos bif\u00e1sicos gas\/metal l\u00edquido<\/strong><\/p>\n

Para simular (a escala macrosc\u00f3pica) la din\u00e1mica de las burbujas de helio en EPL y sus caracter\u00edsticas de transferencia de masa, se est\u00e1n desarrollando y validando algunos modelos CFD utilizando los datos disponibles en la literatura. Los c\u00e1lculos iniciales, para probar los modelos, se han realizado utilizando arg\u00f3n y galinst\u00e1n como fluidos de referencia. Las entradas, suposiciones y condiciones de contorno utilizadas en el presente estudio son esencialmente las mismas que las utilizadas por Miao et al. [8]. La Figura 4<\/strong> muestra el dominio computacional y una malla t\u00edpica usada en su discretizaci\u00f3n. El problema que se plantea consiste en la inyecci\u00f3n de burbujas de gas en una columna con un metal l\u00edquido (estando en reposo sin flujo de gas) a trav\u00e9s de un \u00fanico orificio situado en la parte inferior. El fluido est\u00e1 situado dentro de un campo magn\u00e9tico homog\u00e9neo, que puede alinearse en direcci\u00f3n vertical (longitudinal) u horizontal (transversal).<\/p>\n

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Figura 4. Dominio computacional y malla t\u00edpica utilizada en las simulaciones.<\/p><\/div>\n

La Figura 5<\/strong> ilustra la influencia del campo magn\u00e9tico en la fracci\u00f3n de volumen de las burbujas y la distribuci\u00f3n espacial de la velocidad del metal l\u00edquido. Se puede observar la tendencia del flujo a alinearse con el campo magn\u00e9tico. En la Figura 6<\/strong> tambi\u00e9n se muestran algunos resultados preliminares para la distribuci\u00f3n radial de la velocidad vertical del l\u00edquido. Se pueden observar las similitudes entre el perfil de referencia y el obtenido. Adem\u00e1s, tambi\u00e9n se ha investigado la influencia de varios par\u00e1metros, como el di\u00e1metro de la burbuja y el campo magn\u00e9tico, como se ilustra en la figura de la derecha.<\/p>\n

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Figura 5. Influencia de un campo magn\u00e9tico longitudinal en un flujo bif\u00e1sico de gas-metal l\u00edquido.<\/p><\/div>\n

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Figura 6. Perfiles de velocidad vertical del l\u00edquido en la direcci\u00f3n radial a media altura de la columna de metal l\u00edquido: (izquierda) perfil de referencia [8]; (centro) perfil simulado; (derecha) influencia de diferentes condiciones experimentales (di\u00e1metro de burbuja y campo magn\u00e9tico).<\/p><\/div>Conclusi\u00f3n<\/strong><\/p>\n

Los grupos de investigaci\u00f3n ANT y SIMCON de la UPC coordinan esfuerzos en la investigaci\u00f3n del fen\u00f3meno de nucleaci\u00f3n de helio en el metal l\u00edquido que circula en las envolturas regeneradoras de un futuro reactor nuclear de fusi\u00f3n. La Din\u00e1mica Molecular es central en la metodolog\u00eda.<\/p>\n

ANT tambi\u00e9n est\u00e1 investigando la simulaci\u00f3n de flujos bif\u00e1sicos (burbujas de helio en eut\u00e9ctico de plomo-litio) en condiciones relevantes para reactores de fusi\u00f3n.<\/p>\n

Los resultados obtenidos son prometedores y se sigue trabajando a buen ritmo.<\/p>\n

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Referencias<\/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 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":"

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