Design, optimization and structural veri cation of EU-DEMO tokamak PFCs integrating W lattice armour
Author(s)
Paoletti, Damiano
Date Issued
February 13, 2025
Type
Doctoral Thesis
Abstract
To prevent excessive damage to the breeding blanket first wall modules in the EU-DEMO fusion reactor, particularly during intense plasma transients, the need for sacrificial first wall limiters capable of mitigating these events became evident. Incorporating tungsten lattices into the design of these components offers a solution to address their conflicting requirements. By optimizing the morphology of the elementary cell and the overall component design, it is possible to effectively dissipate nominal thermal power during normal operation and rapidly form vapor shielding during disruptions, ensuring thermal decoupling between the plasma and heat sink when necessary.
This thesis presents an innovative PFC concept that leverages the benefits of lattice structures. The concept is based on a flat tile model with an armor facing the plasma, which incorporates layers of tungsten lattice structures. A flexible and efficient design approach has been developed to optimize the layout of PFCs with tungsten lattice armor, enhancing their overall functional performance.
Using a simplified 2-D model, a thermal optimization tool was developed to analyze a wide range of parameters and identify the optimal PFC architecture. Two optimized configurations were identified, featuring different tungsten lattice types and materials for the heat sink and cooling ducts. A detailed 3-D model of these configurations was created, incorporating the complex lattice geometry and assessing the thermomechanical performance under various plasma scenarios. The 3-D model, calibrated through the results of mechanical characterization tests on tungsten specimens printed using Laser Powder Bed Fusion technique, allowed for coupled thermomechanical analysis and structural integrity verification according to ITER acceptance criteria. Given the uncertainties regarding thermal loads and cooling conditions under which EU-DEMO limiters will operate, the 3-D model was designed to be flexible, enabling quick adjustments to accommodate future design changes. This approach led to the development of a versatile design and optimization tool capable of customizing geometric and lattice morphology parameters. Finally, experimental validation via High Heat Flux tests is proposed to assess the component's lifetime, underscoring the importance of experimental data for accurate lifetime predictions.
Per prevenire danni eccessivi ai moduli breeding blanket della prima parete del reattore a fusione EU-DEMO, in particolare durante i transitori di plasma, è ormai appurata la necessità di ricorrere a limiters sacrificali in grado di mitigare questi eventi. L'integrazione di strutture lattice in tungsteno (W) nel design dei limiters di prima parete potrebbe offrire una valida soluzione per soddisfare i requisiti, spesso contrastanti, che vengono loro demandati. Ottimizzando la morfologia della cella elementare del reticolo lattice e il design complessivo del componente, è possibile, da un lato, dissipare efficacemente la potenza termica nominale durante il normale funzionamento del reattore e, dall’altro, promuovere l’effetto del vapor shielding durante le disruzioni, garantendo il disaccoppiamento termico tra il plasma e l’heat sink quando necessario.
Questa tesi presenta un concetto innovativo di PFC (Plasma Facing Component) che sfrutta i vantaggi delle strutture W lattice. Il modello rientra nella categoria del flat tile, con un'armatura rivolta verso il plasma, che incorpora strati in W lattice.
Per ottimizzare il layout dei PFC con armatura in W lattice e massimizzarne le prestazioni funzionali complessive, è stata sviluppata una metodologia di design flessibile ed efficiente. Inizialmente, utilizzando un modello 2-D semplificato, è stato ideato uno strumento di ottimizzazione termica per analizzare una vasta gamma di parametri e identificare l'architettura ottimale del PFC. Quindi, sono state identificate due configurazioni ottimizzate, caratterizzate da diversi tipi morfologia cellulare per lo strato lattice, differenti materiali per l’heat sink e forma della sezione dei condotti di raffreddamento. Per ognuna delle due configurazioni ottimizzate, è stato creato un modello dettagliato 3-D, che incorporasse la complessa geometria del reticolo in W lattice per valutarne le prestazioni termo-meccaniche sotto vari scenari di plasma. Il modello 3-D, calibrato attraverso i risultati dei test di caratterizzazione meccanica condotti su campioni di tungsteno stampati attraverso tecnica Laser Powder Bed Fusion, ha consentito lo svolgimento di accurate analisi termo-meccaniche, atte alla verifica dell'integrità strutturale del componente secondo i criteri di accettazione stabiliti per ITER. Data l'incertezza riguardo ai carichi termici e alle condizioni di raffreddamento con cui opereranno i limiters di EU-DEMO, il modello 3-D è stato progettato per essere flessibile, consentendo rapidi aggiustamenti per adattarsi ad eventuali modifiche di design. Questo approccio ha portato allo sviluppo di uno strumento di progettazione e ottimizzazione versatile, in grado di offrire estrema facilità nella possibilità di personalizzare i parametri geometrici e della morfologia del reticolo W lattice. Una campagna sperimentale basata su test ad Alta Potenza Termica risulta comunque necessaria sia per disporre di un benchmark con cui validare i modelli analitici, sia per ottenere previsioni accurate circa la durata effettiva del componente.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for Energy and Environment
File(s)![Thumbnail Image]()
Name
dpaoletti_tesid.pdf
Size
42.9 MB
Format
Adobe PDF
Checksum (MD5)
51fabb6c70f664513fb4ad6ec3519957