Development of optimized W lattices for sacrificial limiter applications in the EU DEMO fusion reactor
Author(s)
De Luca, Riccardo
Date Issued
February 10, 2021
Type
Doctoral Thesis
Abstract
In future fusion reactors, the greatest engineering challenges of plasma facing components (PFCs) may arise from the occurrence of plasma transients and disruptions. Extreme heat loads, above the limits of the existing materials, may lead to excessive wall degradation and frequent extraordinary maintenance. In the EU DEMO, combined with mitigation and prevention strategies, limiters seem unavoidable for the ultimate protection of the first wall in case of failures. Within the framework of the EUROfusion WPDIV research activity, a sacrificial first wall limiter provided with a newly-engineered armor is being investigated. By providing the disrupting plasma with a sacrificial layer, damage of the unshadowed wall is prevented while heat flux reduction is promoted through enhanced vapour shielding. Tungsten (W) is the preferred plasma facing material due to its low sputtering yield and low hydrogen retention. However, rather than dense W, highly porous lattices could be employed to match the operating requirements of the limiter and help achieve shielding of the heat sink against overloading, less pronounced thermal stresses and longer lifetime. However, established manufacturing technologies of W represent to date a limiting factor.
In the present work, tailored W lattices were designed by calibrating a solid model originally developed for Al-based open-cell foams. Their thermo-mechanical behaviour was simulated using the ANSYS finite element (FE) code and two cell geometries were selected for the fabrication of samples through Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Additive manufacturing was employed as it others design flexibility beyond the possibilities provided by conventional methods. In collaboration with Max-Planck IPP and CCFE research units, metallographic inspections and material characterization are ongoing performed confirming the encouraging properties of this innovative material. Moreover, high heat flux (HHF) tests were carried out at the linear plasma facility QSPA Kh-50. As a future outlook towards the realization of a sacrificial limiter, calibration of FE tools and further optimization of the cell geometry will be carried out based on the outcomes of the ongoing activities.
Nei futuri reattori a fusione, le maggiori sfide ingegneristiche dei componenti affacciati al plasma (PFC) potrebbero derivare dal verificarsi di transitori del plasma e disruzioni. Carichi termici estremi, superiori ai limiti dei materiali esistenti, possono comportare un eccessivo degrado delle pareti del reattore e richiedere frequenti manutenzioni non ordinarie. Riguardo il reattore europeo DEMO, in aggiunta a strategie di mitigazione e prevenzione, dei limiter sembrano inevitabili per l’ultima protezione della prima parete in caso di eventi accidentali. Nel contesto delle attività di ricerca EUROfusion WPDIV, è allo studio un limiter sacrificale di prima parete dotato di un'armatura di nuova concezione. Fornendo al plasma in disruzione uno strato sacrificale, si previene il danneggiamento della parete non ombreggiata mentre viene promossa la riduzione del flusso termico grazie alla una maggiore produzione di vapore di tungsteno, il quale ha un effetto schermante. Il tungsteno (W) è il materiale preferito per il rivestimento dei componenti per la sua bassa soglia di erosione e la bassa ritenzione di idrogeno. Tuttavia, piuttosto che W denso, potrebbero essere impiegati metamateriali reticolari ed altamente porosi per soddisfare i requisiti operativi del limiter e proteggere la parte strutturale del componente contro sovraccarichi di calore, stress termici eccessivi e quindi garantendo una maggiore vita utile del componente. Tuttavia, le tecnologie convenzionali di produzione del W rappresentano ad oggi un fattore limitante.
Nel presente lavoro, sono stati progettati metamateriali reticolari in W ottimizzati mediante calibrazione un modello solido originariamente sviluppato per schiume metalliche a celle aperte in Al. Il loro comportamento termomeccanico è stato simulato utilizzando il codice agli elementi finiti (FE) ANSYS e sono state selezionate due geometrie di celle per la fabbricazione di campioni tramite Laser Powder Bed Fusion (LPBF). La stampa 3D è stata impiegata in quanto offre benefici al di là delle possibilità offerte dai metodi convenzionali. In collaborazione con i centri di ricerca Max-Planck IPP e CCFE, sono in corso ispezioni metallografiche e la caratterizzazione del materiale per confermare le interessanti proprietà di questo metamateriale innovativo. Inoltre, sono stati effettuati test ad alto flusso termico (HHF) presso l'impianto di plasma lineare QSPA Kh-50. Come prospettiva futura verso la realizzazione di un prototipo di limiter sacrificale, la calibrazione degli strumenti FE e l'ulteriore ottimizzazione della geometria della cella possono essere effettuate sulla base dei risultati delle attività in corso.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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19.33 MB
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