Nuclear technology and engineering studies on reflectometry systems for ITER and DEMO

Yohanes Setiawan Nietiadi

Informações chave

Autores:

Yohanes Setiawan Nietiadi (Yohanes Setiawan Nietiadi)

Orientadores:

Bruno Miguel Soares Gonçalves (Bruno Miguel Soares Gonçalves); Catarina Isabel Silva Vidal (Catarina Isabel Silva Vidal); Raul Fernandes Luís (Raul Luís)

Publicado em

27/10/2022

Resumo

A fusão nuclear controlada é umas das soluções mais promissoras para o aumento da procura por formas mais sustentáveis de produção de energia eléctrica à escala global. No caminho a percorrer até à comercialização de energia eléctrica produzida através da fusão, o reactor DEMO, desenvolvido pelo consórcio EUROFusion, é um passo intermédio entre o ITER (em construção) e os reactores comerciais do futuro. Tokamaks de grandes dimensões como o ITER e o DEMO requerem redes complexas de sistemas de diagnóstico, que permitam controlar o plasma de forma fiável por longos períodos de operação. Entre estes, a reflectrometria de microondas já demonstrou ser uma forma alternativa de controlo, capaz de monitorizar a densidade, a posição e a forma do plasma com elevada resolução espacial e temporal. Esta tese apresenta estudos de design e engenharia para dois sistemas de diagnóstico desenvolvidos pelo IPFN/IST: o sistema de reflectometria de posição de plasma (PPR) do ITER e um sistema com múltiplos reflectómetros proposto para o DEMO. Devido à natureza das medições, alguns dos componentes destes sistemas estarão expostos directamente ao plasma, sujeitos a elevados fluxos de neutrões de alta energia (14 MeV) que contribuirão para as cargas térmicas nos componentes e poderão ter como efeito alterar as propriedades dos materiais, pondo em risco a sua integridade mecânica durante os períodos de funcionamento dos reactores. Por esta razão, estudos complexos de design (envolvendo neutrónica, análises termo-mecânicas e simulações electromagnéticas) são cruciais para garantir que os diagnósticos sobrevivem aos ambientes de radiação do ITER e do DEMO sem comprometer o seu desempenho. Para o sistema PPR do ITER, o software ANSYS Mechanical foi usado para estimar as temperaturas de operação dos componentes mais expostos, em duas posições distintas, conhecidas como gaps 4 e 6. Nas configurações estudadas, os resultados mostram que as antenas do sistema PPR estariam sujeitas a temperaturas superiores ao limite estabelecido pelo ITER para o aço inoxidável sob irradiação, mesmo após várias tentativas de optimização. Tendo em conta estes resultados, diferentes materiais foram propostos para as antenas. Apesar de a Organização ITER ter descontinuado o desenvolvimento do sistema PPR, o conhecimento adquirido durante os estudos de integração e desenvolvimento continua a ser válido para o desenho do sistema de reflectometria proposto para o DEMO. Para este sistema, um conceito de integração proposto previamente – Diagnostics Slim Cassette (DSC) – foi desenhado e avaliado. Os códigos CATIA V5, MCNP e ANSYS foram usados para desenhar o sistema e estimar fluxos de neutrões e radiação gama, cargas térmicas e temperaturas de operação, assim como o impacto que essas condições de operação terão nas medições de reflectometria. As análises nucleares e termo-mecânicas apresentadas neste trabalho demonstram a viabilidade do conceito e a capacidade do sistema para operar no ambiente de radiação do reactor DEMO, de acordo com os padrões estabelecidos pelo código RCC-MR. Este resultado é obtido com uma configuração simplificada do sistema de arrefecimento, possível de fabricar com técnicas convencionais. Os resultados e as metodologias implementadas nesta tese podem servir como directizes para outros sistemas de diagnóstico, nomeadamente aqueles em que a DSC possa servir como possível solução de integração. Controlled nuclear fusion is one of the most promising solutions to address the world’s increasing demand for sustainable and clean energy sources. In the path towards commercial electricity produced from fusion energy, DEMO is foreseen in the EUROFusion roadmap as an intermediate step between ITER (under construction) and commercial power plants. Large tokamaks like ITER and DEMO will require extensive networks of diagnostics, able to provide reliable plasma control over extended operation periods. Among these, microwave reflectometry has been proven as an alternative control technique, by measuring and monitoring the plasma density, position and shape with high spatial and temporal resolutions. This Doctoral Thesis presents an engineering assessment and design studies for two diagnostics developed by IPFN/IST: the ITER Plasma Position Reflectometry (PPR) system and a multi-reflectometer system for DEMO. Due to the nature of reflectometry measurements, some front-end components will be directly exposed to the plasma, subjected to fluxes of high-energy neutrons (14 MeV) that will contribute to the thermal loads in the systems and may change the material properties, which can compromise the integrity of the components during the reactor lifetime. Therefore, complex design studies (involving neutronics, thermo-mechanical analyses and electromagnetic simulations) are crucial to ensure that these diagnostics survive in the harsh radiation environments of ITER and DEMO without serious compromise to their performance. For the ITER PPR system, ANSYS Mechanical was used to estimate the operation temperatures of the in-vessel components in two different positions, known as gaps 4 and 6. In the studied configurations, results showed that the plasma-facing antennas of the PPR system would operate above the temperature limit for stainless steel under irradiation, even after several optimization attempts. In face of these results, different materials were suggested for the front-ends of gaps 4 and 6. Even though the ITER Organization decided to descope the PPR system in 2019, the lessons learned on the design activities are still valid for the development of the reflectometry system proposed for DEMO. For the latter, a previously proposed integration concept – the Diagnostics Slim Cassette (DSC) – was designed and evaluated. CATIA V5, MCNP, and ANSYS were used to design the system and estimate the neutron and gamma fluxes, heat loads and operation temperatures, as well as and their impact on the performance of the reflectometry measurements. The nuclear and thermo-mechanical analyses presented in this work demonstrate the feasibility of the concept and the ability of the system to operate under the harsh irradiation environment of DEMO, by comparing the results with the standards of the RCC-MR code. This is achieved with a simple cooling system design, possible to manufacture using conventional techniques. The results and simulation workflow presented in this thesis can be used as guidelines for other diagnostics, namely the ones that consider the DSC as a possible integration solution.