ARC blanket: CFD and Tritium transport analysis

Lo sviluppo di una centrale a fusione nucleare raccoglie gli sforzi e la ricerca dei paesi industrializzati di tutto il mondo: queste, infatti, potrebbero produrre energia pulita, senza emissioni di CO2. Lo sviluppo di questa tecnologia si propone di superare sfide tecnologiche di notevole entità e varietà. Uno dei progetti di reattore a fusione più ambiziosi e innovativi è quello sostenuto dal Massachussets Institute of Technology e dal Plasma Science and Fusion Center, il reattore ARC: Affordable Robust and Compact. Lo scopo della seguente tesi lo sviluppo di un modello termofluidodinamico dettagliato, a regime stazionario, di ARC a partire dal progetto: in questo verrà analizzato in particolare il vacuum vessel e il breeding blanket, composto interamente dal sale fuso FLiBe, per osservarne il comportamento e individuarne le criticità. Data la complessità della geometria del reattore è difficile ottenere alcuni risultati con la precisione necessaria senza una simulazione CFD. Inoltre, partendo dai risultati dello studio CFD svolto, viene fatta un’analisi del trasporto di Trizio nei medesimi componenti supportata da una simulazione tramite COMSOL. Lo studio del trasporto del Trizio è fondamentale per i reattori a fusione, e lo sviluppo di un breeding blanket che ne permetta la produzione ed estrazione è uno degli scogli più grandi per la realizzazione di un impianto commerciale. Il campo di velocità e temperatura in ARC è stato calcolato. Viene proposta una configurazione alternativa degli ingressi del FLiBe, accompagnata da un paragone con la configurazione originale sottolineandone i miglioramenti. I risultati mostrano dei vortici nel breeding blanket, che possono determinare talvolta delle zone di surriscaldamento nel FLiBe e nel vessel. Lo scambio termico convettivo tra vessel e FLiBe sembra insufficiente e determina a temperature critiche nello strato di Inconel 718 più interno. Il modello di trasporto del Trizio mostra una maggiore concentrazione localizzata in concomitanza con i vortici di FLiBe, ma la concentrazione più alta si osserva negli strati di Inconel 718, ordini di grandezza più alta che in tutti gli altri materiali di ARC. Il modello sviluppato, oltre ad evidenziare alcune criticità del design attuale e a proporre un design alternativo, potrà essere usato come punto di partenza per modelli più precisi, includendo i fenomeni di MHD e l’evoluzione nel tempo.