Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7311
MHD and Corrosion Analysis of Dual Coolant PbLi Blanket
Modules for ARIES-CS
C. Mistrangelo
Abstract
A Dual Coolant Lead Lithium (DCLL) blanket concept has been selected as reference
design for the ARIES-CS compact stellarator power plant study. This
configuration is characterized by helium cooled first wall and ferritic steel
structures, and by a self-cooled breeding zone. Flow channel inserts (FCIs)
made of fiber enforced silicon carbide (SiC) composite material are placed in
the PbLi channels, serving both as thermal and electrical insulator. The goal
is to optimize the Pb-17Li inlet and outlet temperatures for high power cycle
efficiency while accommodating the material temperature limits, providing
reasonable flow distribution and maintaining an acceptable pressure drop.
In support
to this conceptual study of a compact stellarator, a numerical investigation of
magnetohydrodynamic (MHD) flows in the poloidal channels that distribute the
liquid metal in the breeder units has been carried out to assess the
performance of such a concept with regard to the above mentioned goals and
constraints. The analysis considers both the electromagnetic coupling of
adjacent poloidal ducts and the one that can occur, across the channel insert,
between the liquid metal in the bulk and that in the gap formed by the
insulating liners and the walls. Moreover, the influence of various parameters
such as the electrical conductivity of the SiC insert and the orientation of
the magnetic field has been analyzed.
In the
second part of this report the problem of the corrosion of the steel wall of
poloidal ducts in a DCLL blanket module due to flowing liquid metal is
investigated. The mass transfer problem is studied in the gaps formed between
the flow channel inserts and the walls. The velocity profile obtained from the
MHD analysis has been used as imposed velocity distribution. Results have been
obtained considering two different values of the electrical conductivity of the
duct insert, i.e. σFCI
= 500 Ω−1m−1
and σFCI
= 100 Ω−1m−1.
Larger velocities are present for the highest value of the electrical
conductivity of the insert. A first assessment for the concentration of iron
inside the gap and for the corrosion rate has been determined.
MHD- und
Korrosionsanalyse des Dual Coolant PbLi Blankets für ARIES-CS
Zusammenfassung
Als Referenzdesign
eines Fusionsblanket wurde im Rahmen der ARIES − CS Reaktorstudie
(Compact Stellarator power plant study) ein so genanntes Dual-Coolant Lead
Lithium (DCLL) Blanketkonzept ausgewählt. Dieses basiert auf der Verwendung
Helium-gekühlter ferritischer Stahlstrukturen inklusive der ersten Wand und
einer selbstgekühlten Blei-Lithium Brutzone. SiC Strömungskanaleinsätze in den
PbLi Kanälen isolieren hierbei das Fluid von der Kanalwand sowohl elektrisch
als auch thermisch. Ziel der Reaktorstudie ist es, Eintritts- und
Austrittstemperaturen im Rahmen der zulässigen Grenztemperaturen der
Materialien hinsichtlich eines hohen thermischen Wirkungsgrades zu optimieren
und gleichzeitig den magnetohydrodynamischen (MHD) Druckverlust in akzeptablen
Grenzen zu halten.
Als Beitrag zur ARIES − CS Reaktorstudie wurden
numerische Berechnungen der MHD-Strömungen in den poloidalen
Flüssigmetall-Kanälen der Bruteinheiten durchgeführt, um das Verhalten dieses
Konzepts hinsichtlich der genannten Ziele und Einschränkungen zu analysieren.
Die Berechnungen berücksichtigen sowohl die elektromagnetische Kopplung des
Fluids im Spalt zwischen Isolationseinsatz und Stahlstruktur mit dem Fluid im
Inneren des Einsatzes, als auch eine Ankopplung benachbarter poloidaler Kanäle.
Darüberhinaus wurde der Einfluss zahlreicher Parameter wie der elektrischen
Leitfähigkeit von SiC, und der Orientierung des Magnetfeldes auf das Verhalten
der MHD-Strömung untersucht.
Im zweiten Teil des Berichtes wird das Problem der Korrosion
in poloidalen DCLL-Blanketkanälen untersucht, die dem strömenden Flüssigmetall
ausgesetzt sind. Hierzu wird der Stoffübergang von der Stahlwand an das
strömende Fluid im Spalt zwischen Isolationseinsatz und Wand analysiert. Hierzu
wird das zuvor berechnete Geschwindigkeitsprofil der MHD-Strömung als gegeben
vorausgesetzt. Als Beispiele dienen Berechnungen mit zwei verschiedenen
elektrischen Leitfähigkeiten der Isolationseinsätze, σFCI = 500
Ω−1m−1 und σFCI = 100
Ω−1m−1 wobei sich für höhere
Leitfähigkeiten größere Geschwindigkeiten ergeben. Ergebnisse der Rechnungen
sind Korrosionsraten an der Wand sowie die Konzentrationsverteilungen von Eisen
im Spalt.