Performance Limits of a Helium-Cooled Divertor (Unconventional Design)
Abstract
In the frame of preparatory work for an European power plant conceptual study to be launched in 2000, the potential of different blanket and divertor cooling concepts has been assessed with view to their performance limits in a commercial reactor. As part of this activity the present work covers investigations related to the performance of a helium-cooled divertor, employing refractory materials as structure, able to extract high-grade heat for power conversion. Performance limits in terms of maximum achievable heat flux at divertor target plates are set mainly by materials temperature and stress constraints, but also by general design requirements like pumping power and tolerable deformation. In this context a high structure-to-coolant heat transfer is essential, which the porous media (PM) heat exchanger concept promises to provide effectively. Hence, the PM is the key design feature adopted in this study. Other basic elements of the assessment are assumptions on divertor configuration and operating conditions (dimensions, cooling scheme, power division to sub-components), material data base review for refractory materials involved, and a review of alternative heat transfer enhancement methods. The main part of the study covers the analysis methods and results of the proposed concept, which are grouped in overall divertor cooling parameters, thermal-hydraulics of target plate, and thermomechanical aspects of a single target plate cooling channel. Finally, the maximum tolerable heat flux is assessed based on limits set by temperature windows, thermal stresses and deformations. It is shown that heat fluxes of 5.5 to 6 MW/m2 can be handled with helium-cooled concepts of unconventional design, given that the operating temperature in the only structural material deemed viable (molybdenum and tungsten alloys) must not fall below 600-700 °C for reasons of embrittlement. The potential for further improvements is judged to be marginal. Coolant parameters can be kept in an attractive range for power conversion.
Belastungsgrenzen eines heliumgekühlten Divertors (neuer Bauart)
Zusammenfassung
Im Rahmen von Voruntersuchungen für eine europäische Leistungsreaktorstudie, die im Jahre 2000 beginnen soll, wurden die Leistungsgrenzen verschiedener Blanket- und Divertorkonzepte für den Einsatz in kommerziellen Reaktoren untersucht. Als Teil davon werden in der vorliegenden Arbeit die Belastungsgrenzen eines heliumgekühlten Divertors aus temperaturbeständigem Material aufgezeigt, der die Nutzung der anfallenden Wärme für die Energieumwandlung ermöglichen soll. Die Belastungsgrenzen, gemessen an den zulässigen Wärmestromdichten an der Oberfläche der Divertorplatten, sind im wesentlichen bestimmt durch Grenzwerte für Temperatur und Spannung der verwendeten Werkstoffe, aber auch durch allgemeine Auslegungsanforderungen wie Gebläseleistung oder zulässige Verformungen der Bauteile. Ein guter Wärmeübergang zwischen Struktur und Kühlmittel ist hierbei unabdingbar. Dies lässt sich durch verschiedene Maßnahmen erreichen, unter anderem durch die Verwendung eines porösen Körpers (engl. porous media, PM) als wärmeübertragende Zwischenschicht, welcher hier als Hauptmerkmal bei der Auslegung zugrunde gelegt wurde. Weitere Grundannahmen betreffen den Aufbau und die Betriebsbedingungen des Divertors (Abmessungen, Kühlungsführung, Leistungsverteilung auf Komponenten), sowie die Datenbasis der in Frage kommenden Werkstoffe. Auch wurde eine Beurteilung anderer bekannter Methoden zur Verbesserung des Wärmeüberganges vorangestellt. Der Hauptteil der Studie befasst sich mit der Analyse des vorgeschlagenen Divertorkonzeptes unterteilt nach Ermittlung der Hauptparameter des Kühlsystems, thermohydraulische Auslegung der Kühlplatte und mechanisches Verhalten eines einzelnen Kühlkanals. Schließlich wird die zulässige Wärmestromdichte anhand von Temperatur-, Spannungs- und Verformungskriterien ermittelt. Es wird gezeigt, dass Wärmestromdichten von 5.5 bis 6 MW/m2 von einem heliumgekühlten Divertor dieser Bauart aufgenommen werden können. Hierbei ist vorgegeben, dass die Betriebstemperatur der in Frage kommenden Werkstoffe (Molybdän- oder Wolframlegierungen) wegen Versprödung unter Bestrahlung nicht unter 600-700 °C liegen darf. Der Spielraum für weitere Optimierungen wird als gering eingeschätzt. Die Hauptparameter des Kühlsystems liegen in einem für die Leistungsumwandlung geeigneten Bereich.