< Terug naar vorige pagina

Project

Automatisch ontwerp van magnetische controlestrategieën voor optimale vermogensextractie in tokamaks


Een goed ontwerp van de wandcomponenten die in direct contact komen met het plasma in kernfusiereactoren is essentieel opdat deze componenten niet zouden falen door de hoge lokale warmtebelasting waaraan ze blootgesteld worden. In ITER (Latijns voor 'de weg') bestaan deze wandcomponenten uit wolfraam (W) blokken, de zogenaamde monoblocks, die bevestigd zijn met een koperen (Cu) tussenlaag op een leiding waardoor koelwater stroomt. Het is echter onzeker of dit ontwerp kan omgaan met de nog hogere warmtebelasting die verwacht wordt in toekomstige DEMO - afgeleid van 'demonstratie' - reactoren, en of het bestand zal zijn tegen de tijdelijk zeer hoge warmtebelastingen veroorzaakt door plasma-instabiliteiten zoals Edge Localized Modes (ELMs). Onderzoek naar technieken om de warmtebelasting te verminderen, en naar ontwerpen die beter bestand zijn tegen de hoge warmtebelasting is daarom cruciaal.  

Het gebruik van W-Cu functionele gradiënt materialen (FGMs) is een veelbelovende technologie die toelaat om de materiaaleigenschappen ruimtelijk te variëren om spanningsconcentraties te vermijden. De best mogelijke materiaalverdeling wordt vaak bepaald door trial-and-error, wat leidt tot suboptimale resultaten. In tegenstelling tot de trial-and-error methode, laten adjoint-gebaseerde numerieke optimalisatietechnieken toe om sneller en automatisch het best mogelijke ontwerp te bepalen op basis van een kostfunctie die de performantie van het ontwerp weerspiegelt. Deze technieken zijn daarom uitermate geschikt om het volle potentieel van FGMs te benutten. 

Om de temporele warmtebelastingspiek door ELMs te verminderen, worden technieken ontworpen om de ELM-frequentie te verhogen. Dit gaat gepaard met een lagere energie-inhoud per ELM. Hoewel er veelbelovende resultaten geboekt zijn in bestaande reactoren, wordt nog volop onderzocht of deze aanpak toereikend zal zijn schade aan de wandcomponenten te vermijden in ITER en toekomstige DEMO reactoren. 

Het eerste doel van de thesis bestaat uit het onderzoeken in welke mate het gebruik van W-Cu FGMs het ontwerp van monoblocks kan verbeteren. Dit ontwerpprobleem wordt numeriek opgelost gebruik makend van efficiënte adjoint-gebaseerde optimalisatiemethodes. Het tweede doel is de invloed van de gemitigeerde ELM frequentie op de levensduur van de ITER monoblock te bepalen aan de hand van de berekende temperatuur- en vervormingsevolutie tijdens langdurige blootstelling. 

In het eerste deel van de thesis worden de kostfunctie, ontwerpvariabelen en beperkingen bepaald voor het FGM ontwerpprobleem, die gebaseerd zijn op de temperatuur- en spanningsprofielen die veroorzaakt worden door een stationaire warmtebelasting. Het opleggen van extra beperkingen op de lokale temperatuur voorkomt dat de materiaaleigenschappen van wolfraam of koper sterk degraderen door bijvoorbeeld rekristalliseren, verbrossen of smelten. Een augmented Lagrangian optimalisatie-algoritme wordt gebruikt om efficiënt met de grote hoeveelheid beperkingen om te gaan, en de gradiënt van de ontwerpvariabelen wordt berekend met een discreet consistente adjoint methode. De geoptimaliseerde ontwerpen vertonen sterk verminderde spanningen in het materiaal, zonder dat de materialen blootgesteld worden aan te extreme temperaturen. Deze  analyse toont ook het potentieel aan van de ontwikkelde optimalisatiestrategie om verbeterde ontwerpen te vinden die toch voldoen aan complexe beperkingen. Verder blijkt de formulering van de kostfunctie en karakterisatie van de spanningsvrije toestand een belangrijk effect te hebben op het finale ontwerp en performantie. 

Het tweede deel van de thesis behandelt het simuleren van het thermisch en mechanisch gedrag van de monoblock voor niet-stationaire warmtebelastingen ten gevolge van ELMs. Met behulp van empirische correlaties wordt een model opgesteld om de warmtebelasting van de ELM te berekenen, wat reeds aangeeft dat het toenemen van de ELM frequentie aanleiding geeft tot het toenemen van de tijdsgemiddelde warmtebelasting, in tegenstelling tot de piekwaarde die wel afneemt. In de aanname dat het nieuwe 'rekristallisatiebudget' zoals voorgesteld in de literatuur ook geldt voor ELMs, wordt een nieuwe bovengrens bepaald op de toelaatbare ELM frequentie voor ITER, namelijk 25 - 50 Hz, afhankelijk van de warmtebelasting tussen twee ELMs. De fractie gerekristalliseerd materiaal wordt gemodelleerd met een anisotherm Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov model. Om tot een meer realistische schatting van de levensduur te komen, wordt een vereenvoudigd plastisch vervormingsmodel ontwikkeld om materiaalmoeheid in rekening te brengen. Een eerste preliminaire berekening toont aan dat de bovenste laag 0.1 mm cyclische plastische vervormingen ondergaat. Een ruwe schatting geeft aan dat lokaal microscopische scheuren kunnen ontstaan na slechts enkele uren blootstelling aan ELMs.

Datum:20 sep 2016 →  9 sep 2021
Trefwoorden:Edge Localized Modes, ITER, functionally graded materials, fusion, monoblock, optimization, numerical simulation, thermal and mechanical design
Disciplines:Kernenergie, Numerieke modellering en design, Warmteoverdracht, Variatieberekening, optimale controle en optimalisatie, Continuümmechanica
Project type:PhD project