Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6895

Optimised Design and Thermal-Hydraulic Analysis of the IFMIF/HFTM Test Section

S. Gordeev, V. Heinzel, K.H. Lang, A. Möslang, K. Schleisiek, V. Slobodtchouk, E. Stratmanns

Abstract
On the basis of previous concepts, analyses and experiments, the High Flux Test Module (HFTM) for the International Fusion Materials Irradiation Facility (IFMIF) was further optimised. The work focused on the design and the thermal hydraulic analysis of the HFTM section containing the material specimens to be irradiated, the “test section”, with the main objective to improve the concept with respect to the optimum use of the available irradiation volume and to the temperature of the specimens. Particular emphasis was laid on the application of design principles which assure stable and reproducible thermal conditions.

The present work has confirmed the feasibility and suitability of the optimised design of the HFTM test section with chocolate plate like shaped rigs. In particular it has been shown that the envisaged irradiation temperatures can be reached with acceptable temperature differences inside the specimen stack. The latter can be achieved only by additional electrical heating of the axial ends of the capsules. Subdivision of the heater into three sections with separate power supply and control units is necessary. Maintaining of the temperatures during beam-off periods likewise requires electrical heating. The required electrical heaters – mineral isolated wires – are commercially available.

The potential of the CFD code STAR-CD for the thermal hydraulic analysis of complex systems like the HFTM was confirmed. Nevertheless, experimental confirmation is desirable. Suitable experiments are under preparation. To verify the assumptions made on the thermal conductivity of the contact faces and layers between the two shells of the rig, dedicated experiments are suggested. The present work must be complemented by a thermal mechanical analysis of the module. Most critical component in this respect seems to be the rig wall. Furthermore, it will be necessary to investigate the response of the HFTM to power transients, and to determine the requirements on the electrical heating control system.

Optimierter Entwurf und thermohydraulische Analyse des Hochfluss-Testmoduls für die Internationale Fusionsmaterial-Bestrahlungseinrichtung IFMIF

Zusammenfassung
Aufbauend auf den früher entwickelten Konzepten sowie den durchgeführten Analysen und Experimenten, wurde der Hochfluss-Testmodul (HFTM) für die Internationale Fusionsmaterial-Bestrahlungseinrichtung (IFMIF) weiter verbessert. Die Arbeit konzentrierte sich auf den Entwurf und die thermohydraulische Analyse der HFTM-Teststrecke mit dem darin enthaltenen Bestrahlungsmaterial. Hauptziel war die Verbesserung des Konzepts im Hinblick auf die optimale Raumnutzung des Bestrahlungsvolumens und die Temperatur der Materialproben. Dabei wurde besonderer Wert auf die Anwendung von Konstruktionsprinzipien gelegt, die zu stabilen und reproduzierbaren Temperaturen in den Proben führen.

Die erzielten Ergebnisse bestätigen die Eignung und Machbarkeit des optimierten Entwurfs der Teststrecke mit schokoladentafel-förmigen Bestrahlungseinsätzen. Insbesondere zeigte sich, dass die vorgesehenen Bestrahlungstemperaturen bei akzeptablen Temperaturdifferenzen im Probenstapel erreicht werden können. Dazu ist jedoch die elektrische Beheizung der beiden Kapselenden erforderlich. Die Aufteilung der Heizzone in drei Bereiche mit separater Leistungsversorgung und Regelung ist zweckmäßig. Die elektrische Beheizung ist ebenfalls zur Aufrechterhaltung der Temperatur während Strahlunterbrechungen erforderlich. Die erforderlichen mineralisolierten Heizleiter sind kommerziell verfügbar.

Die Eignung der CFD Computerprogramms STAR-CD für die thermohydraulische Analyse komplexer Systeme wie das HFTM wurde bestätigt. Ungeachtet dessen ist eine experimentelle Bestätigung der erzielten Ergebnisse wünschenswert; entsprechende Experimente befinden sich in der Vorbereitung. Zur Bestätigung der angenommenen thermischen Widerstände an Kontaktflächen und in engen Spalten mit speziellen Abstandshaltern werden gezielte Experimente empfohlen. Die vorliegenden Ergebnisse müssen durch eine thermo-mechanische Analyse des HFTM, insbesondere der Rig-Wand, ergänzt werden. Darüber hinaus wird die Untersuchung des HFTM-Verhaltens bei Leistungsänderungen für notwendig gehalten.

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