Wissenschaftliche Berichte – FZKA  6597
Review and comparative assessment of helium-cooled divertor concepts

Abstract

Within the European Power Plant Conceptual Study (PPCS) started in 2000 it is planned to integrate a Helium cooled blanket with a divertor using the same coolant. The present work is intended to focus research on concepts that are capable of withstanding the large heat fluxes expected for the divertor.

Five divertor plate concepts – two from the first phase of the PPCS, one variation, and two concepts from the literature – are assessed on the basis of consistent assumptions and operating parameter ranges. While thermohydraulic performance is judged by maximum wall temperatures and pressure drop, thermal stresses are estimated based on temperature differences across the cooling channel.

The results show that thermal stress is the limiting quantity for all concepts. They confirm that (i) a large heat transfer coefficient on the fluid side; (ii) the delivery of low temperature coolant to the First Wall, i.e. a flow path transversal to the First Wall; and, (iii) the use of refractory metals are key elements of a Helium cooled divertor.

Vergleich heliumgekühlter Divertorkonzepte

Zusammenfassung

Im Rahmen der im Jahr 2000 begonnenen Europäischen Leistungsreaktorstudie ist die Integration eines heliumgekühlten Blankets mit einem ebenfalls heliumgekühlten Divertor geplant. Dazu gibt es einen Reihe von potentiellen Divertorkonzepten. Die vorliegende Arbeit soll Entwicklungen im Rahmen der Studie auf diejenigen Konzepte fokussieren, die das größte Potential für die Abführung der im Divertor anfallenden großen Wärmeströme besitzen.

Fünf Konzepte für den Aufbau von Divertorplatten – zwei aus der ersten Phase der Reaktorstudie, eine Variation dazu, sowie zwei Konzepte aus der Literatur – werden auf der Basis konsistenter Annahmen und Betriebsbedingungen bewertet. Dabei wird die thermohydraulische Leistungsfähigkeit nach maximaler Wandtemperatur und Druckverlust bewertet, während thermische Spannungen auf der Basis von Temperaturunterschieden an Vorder- und Rückseite des Kühlkanales überschlagen werden.

Die Ergebnisse bestätigen, daß (1) ein großer Wärmeübergangskoeffizient auf der Fluidseite, (2) der Zugang von kaltem Helium an allen Punkten der Ersten Wand, und damit ein Kühlmittelfluß senkrecht zur Ersten Wand, und (3) der Einsatz von Refraktormetallen zentrale Elemente eines heliumgekühlten Divertors sind.