För att uppnå praktisk energi från fusion måste extrem värme från fusionssystemets "filt"-komponent utvinnas säkert och effektivt. Fusionsexperter från Oak Ridge National Laboratory undersöker hur små 3D-printade hinder placerade inuti de smala rören i ett skräddarsytt kylsystem kan vara en lösning för att ta bort värme från filten.

Ett team på ORNL testar detta tillvägagångssätt i ett heliumflödesloopsystem byggt för att bestämma vilka geometrier som är mest effektiva för att hjälpa gasflödet i kontinuerlig rörelse, kyla metallstrukturerna. Arbetet förenar ORNL:s fusionsteknikexpertis med labbets avancerade tillverkningskapacitet.

I fusionssystem är filten en värmeabsorberande komponent inuti reaktorn, som omger plasman inuti vakuumkärlet för att skydda andra komponenter från extrem värme. Filten är vanligtvis mellan 0,5 och 1,5 meter tjock. Dessutom spelar filten en avgörande roll för att fånga upp värmeenergi från neutroner och generera fusionsbränsle.

"Vi tar itu med en fusionsforskningsfråga som har varit allvarligt understuderad sedan 1990-talet, när forskare först upptäckte att vissa störningar kan öka värmeöverföringen", säger Charles Kessel, ledare för ORNL:s avdelning för fusionskärnvetenskap, teknik och teknik och chef för Virtual Laboratory for Technology.

Medan den internationella ITER-fusionsanläggningen håller på att monteras och andra fusionsenheter är i drift eller utveckling, finns det fortfarande ett globalt behov av lösningar för filtkylning för att stödja en framtida fusionspilotanläggning.

För att ge elektricitet från framtida fusionsreaktorer måste plasman nå temperaturer som är varmare än solen. Ett kylsystem krävs för att undvika att skada vitala komponenter i reaktorn samtidigt som man ser till att kärnan i enheten fortsätter att fungera vid höga temperaturer och når effektiv energigenerering.

Under de senaste decennierna har forskare utvecklat och testat idéer för hur man kan göra detta med vattenbaserade system. Men helium ger flera fördelar jämfört med vatten i högtemperaturfusionsreaktormiljön, allt från säkerhet till materialkompatibilitet och hög termisk omvandlingseffektivitet.

"Vatten fungerar inte bra med reducerad aktivering av ferritisk martensitisk, eller RAFM, ​​en typ av stål som materialgemenskapen har utvecklat som en möjlig nyckelkomponent för fusionsreaktorer. För att inte tala om att användningen av vatten också kan utgöra en föroreningsrisk i fall av en läcka", sa Kessel.

Dessutom har vatten potential att interagera med litiumföreningar som används för att producera tritium, den främsta kandidaten för att driva fusionsreaktorer. Det kräver också mycket höga tryck för att förbli flytande vid vissa temperaturer och har potential att orsaka korrosion.

Helium har betydande fördelar jämfört med vatten. Den viktigaste egenskapen för fusion är att helium kan motstå så höga temperaturer som nödvändigt och begränsas endast av de fasta materialen som innehåller det. Dessutom är det effektivare än vatten eller ånga när termisk energi omvandlas till elektricitet, på grund av toleransen för höga temperaturer.

För att studera vilken roll helium kunde spela som ett kylmedel, var ORNL-fusionsforskare tvungna att övervinna en annan utmaning. Även om heliumkylning lyftes fram som ett av de överordnade behoven för fusionsfiltstudier vid American Physical Society-Division of Plasma Physics 2019–2020 U.S.A. Fusion Community Planning Process, var infrastrukturen för att göra denna forskning till verklighet ännu inte på plats . Det var därför Kessel och hans team bestämde sig för att bygga sitt eget.

Testslingan – som består av en pump, ett nätverk av rör och en testsektion monterad i en 10-fots kubform – verkar enkel men kräver mycket finjustering.

"Vi testar för närvarande enheten för eventuella läckor, och under de kommande veckorna kommer vi att börja testa trycket, vilket kommer att öka tills vi når 600 pund per kvadrattum, eller cirka 40 atmosfärer", säger Kessel.

En exakt labyrint

Heliumkylning kommer med utmaningar, inklusive dess lätthet i både vikt och densitet, vilket gör det svårt för gasen att effektivt ta bort värme.

För att lösa det problemet utvecklade Kessel och hans team en innovativ lösning:en uppsättning specialdesignade rör som har små 3D-printade hinder inuti rören för att hjälpa helium att hitta sin väg genom kylsystemet och undvika stagnation. När heliumflödet träffar hindren skapar det en turbulens som tvingar gasen i olika riktningar vilket i sin tur förbättrar dess värmeavlägsnande och blandning.

Men formen, storleken och placeringen av dessa hinder kan inte lämnas åt slumpen. För att hitta den mest effektiva designen har teamet samlat in geometrisk data genom att använda beräkningsbaserade vätskedynamiksimuleringar.

"Även om idén om att använda hinderfyllda flödeskanaler för att förbättra heliums värmeavlägsnande har svävat runt i drygt två decennier, har vi alltid saknat en systematisk studie av hur olika typer av störningar påverkar gasen. Denna precisionsnivå kommer att vara behövs när man tar itu med utformningen av framtida fusionsreaktorer", sa Kessel.

Med databehandling kan forskare utveckla optimerade heliumturbulensmodeller som kan fungera effektivt i fusionsreaktorer. Hittills har teamet tagit fram ett tiotal olika störningsmönster. De förväntar sig att geometrierna kommer att bli allt mer komplexa, så de förlitar sig på avancerad tillverkningsteknik för att producera nya testsektioner.

"Jag ser fram emot de detaljerade jämförelserna av beräkningsmässigt förutsagt heliumflöde genom dessa störningar i kombination med experimentell visualisering av dessa flödesmönster. Detta kommer att ta studiet av heliumkylning och förståelse av dess flödesbeteende till nästa nivå där förutsägelser kan vändas med säkerhet. i faktiska konstruktioner", sa Kessel. + Utforska vidare

Integrering av heta kärnor och svala kanter i fusionsreaktorer