Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6959
Buoyant
convection in the HCLL blanket in a strong, uniform magnetic field
A.
Kharicha, S. Molokov, S. Aleksandrova, L. Bühler
Abstract
Modelling
of steady-state magneto-convective flows has been performed for typical
geometries of currently investigated Helium-Cooled Lithium Lead (HCLL)
blankets. For fusion relevant magnetic fields the flow has been studied for a purely diffusive heat transfer regime
and for a convective regime with finite Peclet number. The effect of the
direction of the gravity has been investigated by studying the two limiting
cases, i.e. horizontal liquid-metal layers and vertical layers, related to
blanket modules in the equatorial plane and near the top poloidal position,
respectively.
Depending on
the cavity’s orientation, the flow is organised in a single convective
circulation or in double recirculation cells located at the hot part of the
cavity, where the volumetric power density has its maximum. The main component
of vorticity of these recirculation cells is aligned with the magnetic field.
For superimposed forced flows with Pe = 1.2, the buoyant convection is
sufficiently strong to impose its flow pattern on the cross flow in parts of
the cavity. A remarkable result of the present analysis is that the buoyancy
induced flow may reach, or even overcome the magnitude of the imposed forced
flow that is required for tritium removal. For that reason buoyant MHD flows in
HCLL blanket modules is a phenomenon that has to be considered for reliable
designs.
Konvektionsströmungen im HCLL Blanket in einem
starken, konstanten Magnetfeld
Zusammenfassung
Für typische, aktuell betrachtete Geometrien eines
heliumgekühlten Blei-Lithium- Blankets (Helium-Cooled Lead Lithium, HCLL)
werden stationäre magnetohydrodynamische Konvektionsströmungen modelliert. Die
Strömungsberechnung für fusionsrelevante Magnetfelder erfolgt zunächst unter
der Annahme reiner Wärmeleitung und anschließend in einem konvektiven Regime
für endliche Peclet-Zahlen. Anhand zweier Grenzfälle, der horizontalen und der
vertikalen Anordnung der Blanket Module, wird der Einfluss der Orientierung der
Blanketbox bezüglich der Schwerkraftrichtung untersucht. Diese Anordnungen
entsprechen Positionen im Fusionsreaktor in der Äquatorialebene und nahe der
höchsten poloidalen Position.
Abhängig von der Orientierung der Behältergeometrie
bildet die Strömung einen einzelnen Konvektionswirbel oder ein System von zwei
Zirkulationsgebieten, wobei das Wirbelzentrum in beiden Fällen in der Nähe der
höchsten volumetrischen Beheizung auftritt. Die Hauptkomponente der
Wirbelstärke ist entlang magnetischer Feldlinien ausgerichtet. Selbst bei der
Überlagerung einer Zwangsströmung mit Peclet-Zahlen bis Pe=1.2 ist die
Konvektionsströmung stark genug, um die Strömungsmuster zu dominieren. Ein
wichtiges Ergebnis der Untersuchungen ist die Tatsache, dass die
schwerkraftgetriebene Strömung Geschwindigkeiten erreichen kann, die eine
vergleichbare Größenordnung haben
wie die zur Tritiumextraktion erforderliche Zwangsströmung, oder diese
sogar übersteigen. Für eine zuverlässige Auslegung von HCLL Blankets ist die
Kenntnis magnetohydrodynamischer Konvektionsströmungen erforderlich.
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