Development and numerical implementation of tritium and helium transport models in liquid metal breeders for nuclear fusion technology applications

Resumen

La presente tesis se centra en el estudio de las envolturas regeneradoras de un reactor de fusión por confinamiento magnético. Estos componentes críticos para este tipo de reactor, deben proporcionar blindaje a los sistemas magnéticos frent al plasma, generar tritio como combustible del reactor e intercambiar calor para la posterior generación de electricidad. La producción autosuficiente de tritio, única posibilidad sostenible para proporcionar combustible a un reactor de deuterio-tritio, aún está pendiente de ser completamente demostrada. Por ahora, el principio de autosuficiencia sólo es demostrable mediante el uso de herramientas predictivas de simulación. El diseño de la envoltura regeneradora EU-HCLL (European Helium cooled Lithium Lead), que es una de las propuestas de diseño más sólidas de envoltura, está basado en el flujo del metal líquido aleación eutéctica Pb15.7Li para la regeneración de tritio y multiplicación neutrónica. Las reacciones nucleares que se suceden en el seno del Pb15.7Li producen una serie de complejos fenómenos físicos. La baja solubilidad del helio en el Pb15.7Li, junto con concentraciones puntualmente altas, favorecen las condiciones necesarias para la nucleación de burbujas de helio, que pueden a su vez tener un gran impacto en el funcionamiento de la envoltura. En la presente tesis se ha desarrollado un modelo basado en la teoría clásica de nucleación y se ha adaptado e implementado con la finalidad de obtener una herramienta. Los modelos se han codificado para la herramienta CFD de código libre OpenFOAM®. El transporte de tritio en el metal líquido y en el material estructural que conforma la envoltura también ha sido modelado y adaptado para el código OpenFOAM®. Este modelo de transporte incluye la absorción de tritio en las burbujas de helio, la adsorción de tritio en el material estructural, el transporte en el interior del material estructural y la desorción de tritio hacia los canales de refrigeración de la envoltura. El transporte de burbujas en el metal líquido ha sido implementado en OpenFOAM® mediante la adaptación del método de la aproximación al radio medio como un escalar pasivo, asumiendo inicialmente que las burbujas no tienen ningún efecto sobre la hidrodinámica del sistema. También se han adaptado e implementado los modelos de balance de población (método de las clases y método de los momentos) y un modelo de fase dispersa para contrastar resultados y justificar el modelo de transporteSiguiendo un método estándar, se ha verificado, probado y validado el código en todos los casos posibles. El código resultante ha producido información de gran valor para el diseño y operación de las envolturas regeneradoras y se prevé que sea una herramienta clave para la demostración del principio de autosuficiencia en la generación de tritio. La aplicación del código a la tecnología de fusión y en concreto a las envolturas regeneradoras demuestra que la nucleación en el metal líquido se puede dar bajo condiciones de operación con un impacto significativo sobre la permeación de tritio, que se ve reducida considerablemente. Así mismo, se ha determinado que las burbujas de helio se pueden acumular en estructuras hidrodinámicas tipo vórtice con importantes consecuencias sobre el inventario de tritio. El transporte de tritio en permeadores contra vacío se ha estudiado para el caso del permeador desarrollado por CIEMAT (Tecno_FUS®). Los resultados muestran los perfiles de concentración en este tipo de permeadores y aportan una valiosa información para su diseño y operación. Todos los modelos implementados se han integrado en una única herramienta computacional bajo el nombre de BelFOAM®, que se espera se pueda adaptar a múltiples campos de investigación y para el diseño y estudio de dispositivos de tecnología de fusión.