WPBB1-RO

Participarea României la EUROfusion WPBB si cercetări complementare – WPBB1-RO

 

 

Director proiect: George Ana (george.ana@icsi.ro)

Contract nr. EURATOM-RO/CDI/2024-001 / 21.11.2024

Perioada: 2024 – 2026

Scopul proiectului

Procesul de referință pentru TER HCPB se bazează pe umiditatea tritiată adsorbită pe un pat de cribrare moleculară reactivă (RMSB), urmată de adsorția tritiului elementar, în principal sub formă de HT, pe paturi de absorbant operate la temperatura camerei. În plus, pentru a atenua preocupările legate de creșterea ratei de defectare din cauza diferenței mari de presiune între gazul de purjare și gazul de răcire, s-a decis creșterea presiunii de operare a gazului de purjare la aceeași presiune a gazului de răcire, adică 80 de bari. Pentru a menține aceeași presiune parțială de HT, în jur de 1 Pa, debitul volumetric al gazului de purjare se menține la aceeași valoare, adică 10.000 m³/h. Acest debit volumetric poate fi redus dacă conținutul de umiditate este crescut, ceea ce va permite scăderea presiunii parțiale de HT în gazul de purjare.

Activitățile de proiectare pentru sistemul TER HCPB sunt gândite ca o componentă în afara vasului, inclusiv sistemul de conducte care se interfațează la nivelul VV cu sistemul BB și la nivelul Clădirii de Tritiu cu sistemul Ciclului Combustibilului. Sistemul include bucla de purjare cu heliu cu sistemul de îndepărtare a heliului și sistemele auxiliare aferente care recuperează tritiul pentru Ciclul Combustibilului.

Prin urmare, obiectivele acestui proiect sunt de a îmbunătăți configurația TER pentru generatori solizi prin atingerea unor rezultate R&D noi și, de asemenea, prin utilizarea rezultatelor R&D deja disponibile și de a dezvolta în continuare conceptele componentelor sale principale. Scopul principal al proiectului este de a realiza designul conceptual de referință pentru Sistemul de Extracție și Recuperare a Tritiului pentru generatori solizi, cum ar fi generatorul din pebble beds răcit cu heliu.

Activitati prevazute

• Activități de cercetare și dezvoltare (R&D) și proiectare pentru dezvoltarea sistemului HCPB TER

• Activități pentru dezvoltarea suplimentară a conceptelor echipamentelor principale pentru HCPB TER

• Proiectare detaliată a unei machete de pat absorbant pe bază de materiale ZrCo și ZAO la scară 1:20

• Proiectare și construcție parțială a unui rig experimental pentru testarea machetei GB în condiții relevante pentru TER

• Fabricarea unei machete de pat absorbant

• Construcție finală și punere în funcțiune a rigului experimental pentru testarea machetei GB

Rezultate 2024 – 2025
1. Definirea și optimizarea cerințelor de proces pentru sistemul TER WLCB

Definirea și optimizarea cerințelor de proces pentru Sistemul de Extracție și Recuperare a Tritiului (TER) pentru Generatorul de Tritiu Răcit cu Apă cu Ceramică la Plumb (WLCB), folosind configurația TER HCPB ca referință tehnică, este un obiectiv critic pentru autosuficiența tritiului reactorului DEMO.

Această lucrare se concentrează pe identificarea condițiilor de operare care permit extracția eficientă a tritiului, reducând în același timp complexitatea sistemului și cererea de energie. Analizele includ:

• • Evaluarea debitului gazului de purjare în funcție de conținutul izotopilor de hidrogen

  • Evaluarea impactului debitelor reduse asupra presiunilor parțiale ale izotopilor

  • Analiza vitezei superficiale și căderii de presiune în paturile de cribrare moleculară reactivă (RMSB), folosind corelații pentru paturi amestecate

  • Evaluarea consumului de energie pentru diferite presiuni de operare și debite volumetrice

Figura 1. Prezentare generală a echipamentelor sistemului TER în clădirea Tritium Plant – schemă preliminară de concept

Rezultatele demonstrează că reducerea debitelor gazului de purjare crește presiunile parțiale ale izotopilor de hidrogen, reducând în același timp semnificativ vitezele gazelor și pierderile de presiune. În paralel, reducerea presiunii de operare scade cerințele de putere de compresie și ușurează constrângerile de proiectare mecanică. Împreună, aceste constatări susțin un concept TER mai eficient din punct de vedere hidraulic și mai favorabil din punct de vedere energetic pentru WLCB.

2. Validarea experimentală și optimizarea performanței tehnologiilor RMSB și paturilor absorbante de tip getter bed

RMSB – Optimizarea schimbului izotopic

O machetă RMSB la scară 1:10 a fost utilizată pentru a consolida și extinde testele de schimb izotopic între hidrogen și apă deuterată adsorbită pe zeolit platinizat.

Campania de testare a investigat:

• Încărcări de platină de 0,3, 0,5 și 0,7% în masă;

• Temperaturi de operare între 25 °C și 120 °C;

• Eficiența extracției deuteriului pe o perioadă de schimb de 10 ore.

Rezultatele confirmă că atât creșterea temperaturii, cât și creșterea conținutului de Pt îmbunătățesc eficiența schimbului izotopic. Peste 80 °C, sistemul se apropie de comportamentul cvasi-staționar, indicând limitări cinetice reduse. Din perspectiva combinată performanță-cost, o încărcare de platină de aproximativ 0,5% în masă a fost identificată ca o soluție echilibrată.

Figura 2. Imagini ale mock-up-ului amplasat în instalația experimentală și rezultate experimentale

Getter Bed – Integritate structurală și comportament la anduranță

In paralel, un mock-up de pat getter pe bază de ZAO a fost integrat într-o buclă experimentală modernizată, pentru evaluarea comportamentului de absorbție–desorbție a hidrogenului în condiții controlate.

Au fost efectuate șase cicluri de absorbție–desorbție, încărcarea cu hidrogen fiind menținută sub pragul de fragilizare. Desorbția a fost realizată la temperaturi ridicate, cuprinse între 650 și 750 °C. Deși absorbția și eliberarea hidrogenului au fost demonstrate cu succes, testele au evidențiat un comportament neuniform și degradarea mecanică a discurilor de ZAO după demontare.

Aceste rezultate oferă informații valoroase privind durabilitatea materialului, efectele distribuției curgerii și limitările asociate ciclării termice, aspecte relevante pentru operarea pe termen lung.

3. Dezvoltarea infrastructurii experimentale pentru studiile de permeație a izotopilor hidrogenului

Dezvoltarea unei capabilități experimentale dedicate pentru investigarea permeației izotopilor hidrogenului din fază gazoasă în apă reprezintă o activitate cu relevanță directă pentru conceptele de blanket răcite cu apă.

Această activitate a inclus:

• proiectarea și fabricarea a două celule de permeație, realizate din SS316 și P92;

• construirea unei instalații experimentale de înaltă temperatură, până la 300 °C, și înaltă presiune;

• implementarea sistemului de control al presiunii și a logicii de protecție la suprapresiune.

• calibrarea măsurătorilor izotopice în fază gazoasă utilizând QMS;

• analiza izotopică a probelor de apă prin spectrometrie de masă.

Figura 4. Celula de permeație (stânga) și vedere generală a panoului de control și electric, împreună cu QMS-ul utilizat pentru măsurarea deuteriului permeat (dreapta)

4. Strategii de îmbunătățire a transferului de căldură pentru patul getter granular de ZrCo și getterul de tip disc sinterizat ZAO

Paturile getter pe bază de hidruri de zirconiu–cobalt (ZrCo) reprezintă o alternativă promițătoare la paturile criogenice cu sită moleculară pentru îndepărtarea izotopilor hidrogenului din buclele de purjare cu heliu ale sistemelor de extracție a tritiului din blanket-urile de fuziune. Cu toate acestea, regenerarea paturilor getter de ZrCo necesită încălzire până la aproximativ 400 °C sub vid, condiții în care transferul de căldură prin convecție devine neglijabil, iar performanța termică este limitată de conductivitatea efectivă redusă, caracteristică materialului hidrurat dispus sub formă de pat granular.

Au fost realizate simulări de dinamică a fluidelor computațională (CFD) pentru identificarea și evaluarea coeficienților de transfer termic asociați diferitelor configurații constructive și debite de gaz cald. Anterior acestor simulări, a fost necesară fie identificarea în literatura de specialitate, fie determinarea empirică a caracteristicilor morfologice și a proprietăților termofizice ale materialelor getter, respectiv ZrCo și ZAO, deoarece acestea influențează direct performanța termică și dinamica curgerii în cadrul sistemului.

Figura 5. Rezultate CFD privind
transferul de căldură pentru diferite configurații ale patului de
ZrCoHx

5. Proiectarea mock-up-urilor de pat getter pe bază de materiale ZrCo și ZAO la scara 1:20

În această perioadă de raportare, au fost înregistrate progrese în proiectarea și validarea preliminară a unui mock-up de pat getter reprezentativ pentru sistemul de extracție și recuperare a tritiului, TER, aferent conceptului HCPB. Activitatea s-a concentrat pe două obiective principale: (1) proiectarea detaliată a unui mock-up la scară 1:20, bazat pe materiale getter de tip ZrCo și ZAO, și (2) dezvoltarea și construirea inițială a unei instalații experimentale care să permită testarea operațională în condiții relevante pentru sistemul TER.

O primă etapă a constat în stabilirea debitelor de operare pentru testele de adsorbție pe mock-up, cu respectarea condițiilor gazului de purjare cu heliu din blanket-ul HCPB, în special a presiunii parțiale a hidrogenului de aproximativ 100 Pa. A fost selectat un punct de operare adecvat, constând în 20 SCCM hidrogen diluat într-un curent de heliu la 3 bar, cu un debit total de aproximativ 3,6 Nm³/h. Această alegere asigură reprezentativitatea testelor, menținând în același timp dimensiunile echipamentelor la un nivel gestionabil. Pe baza scalării de la cerințele DEMO, mock-up-ul include aproximativ 19 kg de ZrCo și aproximativ 1,5 kg de ZAO, cu timpi de adsorbție calculați de aproximativ 400 h și, respectiv, 48 h.

Unitatea ZrCo a fost proiectată pentru a maximiza expunerea granulelor de ZrCo la gazul de purjare, prevenind totodată deplasarea granulelor și apariția curgerilor de bypass. Acest lucru a fost realizat prin utilizarea unei succesiuni de plăci permeabile SIPERM® R, a unor paturi compartimentate și a unei arhitecturi combinate de distribuție–colectare, care asigură o curgere uniformă prin pat. Pentru etapa de regenerare, în care desorbția are loc sub vid la aproximativ 400 °C, ansamblul a fost optimizat pentru transfer termic conductiv, astfel încât să se garanteze o distribuție uniformă a temperaturii în masa de ZrCo.

Figura 7. Evaluarea CFD a distribuției gazului cald în mantaua patului de ZrCo

Unitatea ZAO, alcătuită din șapte tuburi, fiecare încărcat cu câte șaptezeci de discuri sinterizate, a fost dezvoltată pentru a favoriza atât adsorbția eficientă, cât și desorbția rapidă la aproximativ 700 °C. Sub fiecare disc au fost introduse suporturi elicoidale trilobate, THS, realizate din GLIDCOP® AL-15, cu scopul de a intensifica reînnoirea stratului limită turbulent în timpul adsorbției și de a maximiza încălzirea conductivă în timpul desorbției.

Figura 8. Rezultatele simulării CFD pentru deflectorul de gaz triconic. Stânga: contururi ale modulului vitezei în plan longitudinal, evidențiind redirecționarea radială lină a jetului de intrare. Dreapta: distribuția vitezei în planul de ieșire, indicând o curgere uniformă prin cele șapte tuburi getter, pentru parametrii nominali de funcționare

Analize CFD extinse au susținut alegerile de proiectare. Pentru unitatea ZrCo, simulările privind circulația gazului cald în mantaua de încălzire exterioară au demonstrat că șicanele înclinate generează un model de curgere stabil, asigurând acoperirea extinsă a suprafeței de încălzire și prevenind scurtcircuitarea termică. Studii CFD similare au fost realizate și pentru unitatea ZAO. S-a demonstrat că un deflector de gaz triconic transformă jetul de intrare într-o curgere radială uniformă către cele șapte tuburi ZAO, în timp ce simulările suplimentare au confirmat măturarea eficientă cu gaz cald a stivelor de discuri în timpul regenerării.

Conferinte si Workshop-uri

• George Bulubasa, George Ana, Ovidiu Balteanu, Radu Ana, Maria Craciun, Alina Niculescu, Tritium extraction from helium purge gas in fusion reactors – A Key Component in Achieving Fuel Self-Sufficiency and Energy Efficiency, “23rd International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science”;

• Maria Craciun, George Bulubasa, George Ana, Alina Niculescu, Ciprian Bucur, Iulia Stefan, Robert Daramus, Characterization of reactive zeolites for tritium extraction from fusion reactor purge gas, “23rd International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science”;

• George Ana, Ovidiu Balteanu, Ciprian Bucur, Radu Ana, Non-evaporable getter materials for tritium capture in fusion reactor purge systems: a preliminary study, “23rd International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science”.

Articole:

• George Ana, George Bulubasa, Alina Niculescu, Maria Craciun, Ciprian Bucur, Iuliana Stefan, Characterization of water adsorption capacity at high pressure of the molecular sieve proposed to be used in TER RMSB, Fusion Engineering and Design 215 (2025) 115039;

• Alina Niculescu, Maria Craciun, George Ana, Gheorghe Bulubasa, ICSI contributions regarding barriers against hydrogen isotope permeation through stainless steel and EUROFER97 in DEMO applications, Journal of Fusion Energy (2026) 45:16, https://doi.org/10.1007/s10894-026-00560-4.