Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7181

Development of a DEMO Helium Cooled Pebble Bed (HCPB) Breeder Unit Featured in Flat Plates with Meandering Channels

Z. Xu, J. Rey, U. Fischer, A. v.d. Weth, C. Polixa

Abstract
During the design review in 2003, the modular HCPB blanket concept with a cellular breeding region was proposed and accepted as an EU reference. The concept offers the flexibility of designing 200 x 200 x 500 mm³ breeder units virtually independently of the blanket box. Recently it has been found that ceramic breeder containers featured in the current breeder unit design could see high levels of secondary stress and need to be amended. Scoping calculations have shown, however, that an alternative design based on flat plates with meandering cooling channels meets neutronics requirements, despite a decrease in the content of ceramic breeder and beryllium. This design would also help increase the common features and manufacturing steps of HCPB and HCLL concepts. In this report, a new HCPB breeder unit based on the design featured in flat plates is developed. Supporting analyses in neutron physics, thermalhydraulics and structure mechanics are carried out to check (i) the capability of reaching tritium breeding sufficiency, (ii) the adherence to maximum temperatures in structural and functional materials and (iii) the abidance by the stress criterion imposed by the structural material. Manufacturing sequences of the breeder unit are defined. Finally possible improvements of the new designed breeder unit are proposed.

Entwicklung der DEMO Helium Cooled Pebble Bed (HCPB) Brütereinheit in Gestaltung von ebenen Platten mit Meander-Kanälen

Zusammenfassung
Während der Entwicklungsoptimierung im Jahre 2003 wurde das modulare HCPB Gesamtkonzept mit einer zellenartigen Brüterzone vorgeschlagen und als EU Referenz anerkannt. Das Konzept beschreibt die Konstruktion von anpassungsfähigen 200 x 200 x 500 mm³ Brütereinheiten, die nahezu unabhängig vom Hüllcontainer sind. Neuste Erkenntnisse ergaben, dass keramische Brütereinheiten im bestehenden Design sehr hohe Sekundärspannungen erfahren und dahingehend berichtigt werden müssen. Abgrenzende Kalkulationen hieraus zeigten, dass ein alternatives Design, basierend auf ebenen Platten mit Kühlkanälen in Meander-Form, die neutronischen Belange trotz einer Abnahme der Menge an keramischem Brütermaterial und Beryllium erfüllen. Diese Änderung im Design verbessert, neben den generellen Eigenschaften, auch die Herstellbarkeit der HCPB und HCLL Konzepte. In diesem Bericht wird die Entwicklung des neuen Konzeptes der HCPB Brütereinheit, basierend auf der Eigenschaft von ebenen Kühlplatten, beschrieben. Unterstützend werden hierzu Analysen in Neutronenphysik, sowie thermohydraulischer und strukturmechanischer Sicht durchgeführt um (i) das Potenzial der zu erreichenden Tritium Brüterrate, (ii) die Abhängigkeit zu den Maximaltemperaturen in den Struktur- und Funktionsmaterialien sowie (iii) die Einhaltung der Spannungskriterien, die durch das Strukturmaterial hervorgerufen werden, zu ermitteln. Ebenso werden die hierfür erforderlichen Herstellsequenzen der Brütereinheit beschrieben. Abschließend sind weitere mögliche Verbesserungen der neu gestalteten Brüter-Einheit vorgestellt.

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