Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6975

Conceptual Design of a He-cooled Divertor with Integrated Flow and Heat Transfer Promoters - (PPCS Subtask TW3-TRP-001-D2) - Part II: Detailed Version

Compiled and edited by R. Kruessmann and P. Norajitra

Abstract
This report represents a summary of our knowledge after little more than one year of development of a helium-cooled divertor. The design goal is to reach at least 10 MW/m² at a reasonable pumping power for a fusion power plant operating under DEMO conditions.

In the first part, design requirements for the divertor are given and the current design using low-activation materials is described.

In the second part, materials choice and promising tungsten alloy materials are pointed out. In view of the operation temperature window defined, materials choice for the divertor components is limited, i.e. tungsten for the thermal shield in the form of small tiles, W-1%La2O3 for the thimble, and high-temperature ODS for the back bone structure. To broaden the operating temperature window of the divertor for obtaining a larger safety margin in the design, further development of tungsten alloys as thimble material is required. Promising methods (EDM, ECM and PIM) are identified for the fabrication of pin and slot arrays from tungsten, which need to be further developed.

In the third part, computational fluid dynamics (CFD) analyses and thermomechanical finite element (FE) simulation calculations are covered. Comparisons of the pressure loss calculated by the CFD programs with first results of the pressure loss measurement performed at EFREMOV are made, the results are discussed. FE simulations revealed opportunities for the improvement of the design.

The last part deals with the planning of experimental devices to confirm the theoretical findings. To validate the CFD programs, helium experiments are planned to be performed in the helium blanket test loop HEBLO at FZK/IMF III in the middle of 2004 using a single finger test mock-up of 10:1 in scale. For the high-heat-flux tests, a large helium loop is planned to be constructed at the EFREMOV Institute in St. Petersburg, Russia. Planning and specification of the experiment programmes are under way.

The overall results as presented by this study confirm that the investigated helium-cooled divertor concept HEMP/HEMS has a sufficient potential for resisting the specified heat load of 10 MW/m² at a reasonable pumping power. The concept is feasible.

Konzeptionelles Design eines He-gekühlten Divertors mit integrierter Einheit zur Strömungs- und Wärmetransferverbesserung - (PPCS TW3-TRP-001-D2) - Teil 2: Detaillierter Bericht

Zusammenfassung
Dieser Bericht fasst unser Wissen nach etwas mehr als einem Jahr Entwicklung eines Helium-gekühlten Divertors zusammen. Das Ziel ist es, mindestens 10 MW/m² Wärmelast bei einem vernünftigen Aufwand an Pumpenleistung abführen zu können. Eingesetzt werden soll dieser Divertor in Fusionskraftwerken, die unter DEMO-Bedingungen laufen.

Im ersten Teil werden die Anforderungen an das Design aufgezählt und das aktuelle Design, das auf niedrig-aktivierbaren Materialien basiert, beschrieben.

Im zweiten Teil wird auf die Materialwahl eingegangen, viel versprechende Wolframlegierungen werden dabei besonders hervorgehoben. Wegen des eng begrenzten Arbeitstemperaturfensters ist die Materialwahl für die Divertorkomponenten limitiert, d. h. nur Wolfram kommt als thermisches Schild für die Ziegel in Frage, Wolframlanthanoxid wird für den Fingerhut verwendet und Hochtemperatur-ODS für die Struktur. Um das Arbeitstemperaturfenster zu verbreitern und einen größeren Sicherheitsrahmen für das Design zu erhalten, ist insbesondere eine Weiterentwicklung von Wolframlegierungen für den Fingerhut notwendig. Viel versprechende Methoden (EDM, ECM und PIM) für die Fabrikation von Pin- und Slotarrays aus Wolfram werden genannt, die ebenfalls weiter entwickelt werden müssen.

Im dritten Teil werden Analysen mit CFD-Programmen und thermomechanischen Finite-Elemente(FE)-Programmen behandelt. Die Ergebnisse für den Druckverlust werden mit ersten experimentellen Ergebnissen des EFREMOV Instituts verglichen und diskutiert. Die FE-Simulationen zeigen Verbesserungsmöglichkeiten für das Design auf.

Der letzte Teil beschäftigt sich mit der Planung von experimentellen Anlagen, um die theoretisch gewonnenen Erkenntnisse zu untermauern. Um die CFD-Programme zu validieren, werden Helium-Experimente vorbereitet, die im Helium-Blanket-Testkreislauf HEBLO am FZK/IMF III Mitte 2004 für einen Testeinsatz (einzelner Kühlfinger) im Maßstab

10:1 durchgeführt werden sollen. Für die Tests mit hoher Wärmestromdichte ist vorgesehen, einen Helium-Kreislauf am EFREMOV Institut in St. Petersburg, Russland, zu bauen. Die Planung und Spezifikation des experimentellen Programms ist zur Zeit in Arbeit.

Die Gesamtresultate dieser Studie bestätigen, dass das untersuchte heliumgekühlte Divertorkonzept HEMP/HEMS ausreichend Potential besitzt, der spezifizierten Wärmelast von 10 MW/m² bei akzeptabler Pumpenleistung zu widerstehen. Das Konzept ist machbar.

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