CFD-FEM analysis of the vessel-FLiBe tank interaction of an ARC-like fusion reactor in disruption events

Grazie all’avvento di nuove tipologie di magneti superconduttori ad alta temperatura di esercizio è stato possibile realizzare reattori a fusione nucleare, o tokamaks, il cui design costruttivo permette una facile installazione e rimozione dei magneti stessi che lo compongono. Tale innovazione tecnologica permette di facilitare la costruzione di reattori di nuova generazione caratterizzati da configurazioni sempre più modulari e semplificate. All’interno di questo quadro tecnologico, il Massachusetts Institute of Technology è al lavoro per realizzare una nuova tipologia di reattore a fusione: il reattore ARC (Affordable Robust Compact), il cui design può essere schematizzato mediante un sottile guscio interno in lega metallica, definito vacuum vessel, all’interno del quale avvengono reazioni di fusione DT che generano plasma a temperature di oltre cento milioni di kelvin. Questo è inoltre sottoposto a un regime di vuoto spinto e circondato interamente da un sale fuso ad alta temperatura, chiamato FLiBe, posto all’interno di una vasca. Dal punto di vista della sicurezza del reattore è necessario analizzare accuratamente l’interazione tra il guscio interno in lega e il sale fuso nella vasca, con particolare attenzione al caso in cui incidenti più o meno gravi modifichino l’equilibrio tra i due elementi. Uno degli incidenti più caratteristici per un reattore a fusione è la “plasma disruption”, evento che può compromettere in modo irreparabile il funzionamento del reattore stesso. Mentre vari studi si sono riproposti di analizzare il problema della simulazione di una disruption dal punto di vista elettromeccanico, concentrandosi quindi sull’interazione plasma-guscio, il presente studio vuole proporre una strategia di modellazione concentrata sull’interazione guscio-sale fuso nel caso immediatamente successivo alla disruption. Lo studio mostra che il vessel, in base ai vincoli progettuali proposti in fase di modellazione, si comporta in modo analogo ad un pendolo smorzato. Le forze viscose del sale fuso, quindi, agiscono come smorzatore nei confronti del vessel, mentre il campo di pressioni all’interno del serbatoio genera onde caratterizzate da una ampiezza decrescente in funzione del tempo, perlomeno fino al possibile insorgere di fenomeni di turbolenza. Per quanto riguarda quindi l’interazione fluido-struttura, lo studio propone una strategia di modellazione basata su un’analisi dinamica mediante tecniche FEM-CFD.