Task PPA 2.6 - Final Report

Abstract

The Helium Cooled Pebble Bed blanket concept developed in the frame of the EPB-programme is based on the use of low activation ferritic/martensitic steel (EUROFER-97) as structural material. As the maximum allowable temperature of this steel is 550°C, the coolant helium temperature can not exceed about 500°C, resulting in a relatively low thermal efficiency of the power generation system. The use of a ceramic structural material like SiC_f/SiC with a maximum allowable temperature of about 1200°C allows to increase the maximum helium temperatures in the blanket, with the possibility to adopt more efficient power conversion systems. SIC_f/SiC provides some other attractive features from the neutronic point of view (low neutron absorber in comparison to EUROFER) and safety (low afterheat).

To take full advantage of the potential of this structural material, a new blanket design has been proposed. The pebble beds have been arranged in parallel to the first wall; by this configuration it was possible to reduce the required amount of beryllium, to improve the tritium breeding capability and to increase the allowable neutron wall loading. Finally, the adopted flow scheme results in a decisive reduction of the coolant pressure drop.

On the basis of this design thermo-mechanical, thermo-hydraulic and neutronic calculations have been performed to optimise the design parameters (number and thickness of the beds, ⁶Li enrichment, helium temperatures and pressure, etc). An assessment of the limitation of this concept in terms of maximum neutron wall loading, surface heating, achievable tritium breeding ratio, thermal efficiency in the power conversion system and pumping power for the blanket cooling loops have been performed.

Fortgeschrittenes Heliumgekühltes Festoffblanket

Kurzfassung

Das im Rahmen des Europäischen Blanketprogrammes enwickelte Heliumgekühlte Festoffblanketkonzept basiert auf der Benutzung eines ferritisch-martensitischen Stahls (EUROFER-97) als Strukturmaterial. Da die maximal zulässige Temperatur dieses Stahls 550°C beträgt, kann die Temperatur des Helium Kühlmittels circa 500°C nicht überschreiten, was zu einem relativ niedrigen Wirkungsgrad des Energiekonversionssystems führt. Die Verwendung eines keramischen Strukturmaterials wie SiC_f/SiC mit einer maximal zulässigen Temperatur von circa 1200°C erlaubt einen Anstieg der maximalen Heliumtemperatur im Blanket mit der Möglichkeit effizientere Energiekonversionssysteme zu benutzen. Außerdem hat SiC_f/SiC einige andere attraktive Eigenschaften in Bezug auf die Neutronik (niedrigere Neutronenabsorbtion als EUROFER) und die Sicherheit (niedrigere Nachwärme).

Um alle Vorteile dieses Strukturmaterials nutzen zu können, wurde ein neues Blanketdesign vorgeschlagen. Die Kugelschüttungen wurden parallel zur ersten Wand angeordnet. Durch diese Konfiguration war es möglich, die erforderliche Menge an Beryllium zu reduzieren, die Fähigkeit, Tritium zu erzeugen, zu steigern und die zulässige Belastung an der Wand durch Neutronen zu erhöhen. Schließlich führt das angewandte Flußschema zu einer deutlichen Reduktion der Druckverluste im Kühlmittel.

Auf der Grundlage dieses Entwurfs wurden themohydraulische, thermomechanische und neutronische Berechnungen durchgeführt, um Parameter wie Anzahl und Dicke der Kugelschüttungen, ⁶Li-Anreicherung, Temperaturen und Drücke des Kühlmittels, etc., zu optimieren. Eine Untersuchung zur Ermittlung der Leistungsgrenze dieses Konzepts bezüglich der maximal zulässigen Belastung der ersten Wand durch Neutronen und durch Erhitzung der Oberfläche, Tritiumerzeugung, thermischem Wirkungsgrad des Energiekonversionssystems und Pumpleistung des Blanketkühlkreises wurde durchgeführt.