Um praktische Energie aus der Fusion zu erzielen, muss extreme Wärme aus der „Blanket“-Komponente des Fusionssystems sicher und effizient extrahiert werden. Fusionsexperten des Oak Ridge National Laboratory untersuchen, wie winzige 3D-gedruckte Hindernisse, die in den engen Rohren eines maßgeschneiderten Kühlsystems platziert werden, eine Lösung sein könnten, um Wärme aus der Decke zu entfernen.
Ein Team am ORNL testet diesen Ansatz in einem Helium-Strömungsschleifensystem, das gebaut wurde, um festzustellen, welche Geometrien am effektivsten sind, um den Gasfluss in kontinuierlicher Bewegung zu unterstützen und die Metallstrukturen zu kühlen. Die Bemühungen vereinen das Know-how von ORNL in der Fusionstechnologie mit den fortschrittlichen Fertigungskapazitäten des Labors.
In Fusionssystemen ist die Decke eine wärmeabsorbierende Komponente im Inneren des Reaktors, die das Plasma im Vakuumgefäß umgibt, um andere Komponenten vor extremer Hitze zu schützen. Die Decke ist normalerweise zwischen 0,5 und 1,5 Meter dick. Darüber hinaus spielt die Decke eine entscheidende Rolle beim Einfangen von Wärmeenergie aus Neutronen und der Erzeugung von Fusionsbrennstoff.
„Wir gehen ein Problem der Fusionsforschung an, das seit den 1990er Jahren stark vernachlässigt wurde, als Wissenschaftler erstmals feststellten, dass einige Störungen die Wärmeübertragung erhöhen können“, sagte Charles Kessel, Leiter der Abteilung Fusion Nuclear Science, Technology, and Engineering des ORNL und Direktor der Virtuelles Labor für Technik.
Während die internationale ITER-Fusionsanlage zusammengebaut wird und andere Fusionsgeräte in Betrieb oder in der Entwicklung sind, besteht weiterhin ein weltweiter Bedarf an Technologielösungen für Deckenkühlungen zur Unterstützung einer zukünftigen Fusionspilotanlage.
Um Strom aus zukünftigen Fusionsreaktoren zu gewinnen, muss das Plasma Temperaturen erreichen, die heißer als die Sonne sind. Ein Kühlsystem ist erforderlich, um eine Beschädigung lebenswichtiger Komponenten des Reaktors zu vermeiden und gleichzeitig sicherzustellen, dass der Kern des Geräts bei hohen Temperaturen weiterarbeitet und eine effiziente Energieerzeugung erreicht.
In den vergangenen Jahrzehnten haben Forscher Ideen entwickelt und getestet, wie dies mit wasserbasierten Systemen geschehen kann. Aber Helium bietet gegenüber Wasser in der Hochtemperatur-Fusionsreaktorumgebung mehrere Vorteile, die von der Sicherheit über die Materialkompatibilität bis hin zu einer hohen thermischen Umwandlungseffizienz reichen.
„Wasser funktioniert nicht gut mit ferritischem Martensit mit reduzierter Aktivierung oder RAFM, einer Stahlsorte, die die Materialgemeinschaft als mögliche Schlüsselkomponente für Fusionsreaktoren entwickelt hat. Ganz zu schweigen davon, dass die Verwendung von Wasser in diesem Fall auch ein Kontaminationsrisiko darstellen könnte eines Lecks“, sagte Kessel.
Darüber hinaus hat Wasser das Potenzial, mit Lithiumverbindungen zu interagieren, die zur Herstellung von Tritium verwendet werden, dem Hauptkandidaten für die Befeuerung von Fusionsreaktoren. Es erfordert auch sehr hohe Drücke, um bei bestimmten Temperaturen flüssig zu bleiben, und kann Korrosion verursachen.
Helium hat gegenüber Wasser erhebliche Vorteile. Das wichtigste Merkmal für die Fusion ist, dass Helium so hohen Temperaturen wie nötig standhalten kann und nur durch die darin enthaltenen festen Materialien begrenzt ist. Außerdem ist es aufgrund der Hochtemperaturtoleranz bei der Umwandlung von Wärmeenergie in Strom effizienter als Wasser oder Dampf.
Um die Rolle zu untersuchen, die Helium als Kühlmittel spielen könnte, mussten die ORNL-Fusionsforscher eine weitere Herausforderung meistern. Obwohl die Heliumkühlung als einer der wichtigsten Anforderungen für Fusionsdeckenstudien im Planungsprozess der American Physical Society-Division of Plasma Physics 2019–2020 der US-amerikanischen Fusionsgemeinschaft hervorgehoben wurde, war die Infrastruktur, um diese Forschung Wirklichkeit werden zu lassen, noch nicht vorhanden . Deshalb entschieden sich Kessel und sein Team für den Eigenbau.
Die Testschleife, die aus einer Pumpe, einem Rohrnetz und einer Teststrecke besteht, die in Form eines 10-Fuß-Würfels zusammengebaut ist, scheint einfach zu sein, erfordert jedoch viel Feinabstimmung.
„Wir testen die Baugruppe derzeit auf Lecks und in den kommenden Wochen werden wir damit beginnen, den Druck zu testen, der ansteigen wird, bis wir 600 Pfund pro Quadratzoll oder etwa 40 Atmosphären erreichen“, sagte Kessel.
Ein präzises Labyrinth
Die Heliumkühlung ist mit Herausforderungen verbunden, einschließlich ihres geringen Gewichts und ihrer Dichte, die es dem Gas erschweren, Wärme effektiv abzuleiten.
Um dieses Problem zu lösen, haben Kessel und sein Team eine innovative Lösung entwickelt: einen Satz speziell entworfener Rohre mit winzigen 3D-gedruckten Hindernissen im Inneren der Rohre, um Helium dabei zu helfen, seinen Weg durch das Kühlsystem zu finden und Stagnation zu vermeiden. Wenn der Heliumstrom auf die Hindernisse trifft, erzeugt er eine Turbulenz, die das Gas in verschiedene Richtungen zwingt, was wiederum seine Wärmeabfuhr und Durchmischung verbessert.
Aber Form, Größe und Position dieser Hindernisse dürfen nicht dem Zufall überlassen werden. Um das effizienteste Design zu finden, hat das Team geometrische Daten mithilfe von numerischen Strömungssimulationen gesammelt.
„Obwohl die Idee, mit Hindernissen gefüllte Strömungskanäle zu verwenden, um die Wärmeabfuhr von Helium zu verbessern, seit weit über zwei Jahrzehnten im Umlauf ist, hat uns immer eine systematische Untersuchung darüber gefehlt, wie verschiedene Arten von Störungen mit dem Gas interagieren. Dieses Maß an Präzision wird es sein bei der Gestaltung zukünftiger Fusionsreaktoren benötigt werden“, sagte Kessel.
Mithilfe von Computern können Wissenschaftler optimierte Helium-Turbulenzmodelle entwickeln, die in Fusionsreaktoren effektiv arbeiten können. Bisher hat das Team etwa 10 verschiedene Störungsmuster erzeugt. Sie gehen davon aus, dass die Geometrien immer komplexer werden, und setzen daher auf fortschrittliche Fertigungstechniken, um neue Testabschnitte herzustellen.
„Ich freue mich auf die detaillierten Vergleiche des rechnerisch vorhergesagten Heliumflusses durch diese Störungen in Verbindung mit der experimentellen Visualisierung dieser Strömungsmuster. Dies wird die Untersuchung der Heliumkühlung und das Verständnis seines Strömungsverhaltens auf die nächste Ebene bringen, auf der Vorhersagen zuverlässig gedreht werden können in tatsächliche Designs“, sagte Kessel.