Optimized power plant for stellarator and tokamak based fusion reactors

Abstract

Fusion is a candidate base-load and load-following energy source for the future carbon-free energy mix, and tokamak and stellarators are the most promising magnetic fusion reactors. Unlike tokamaks, which are pulsed and vulnerable to current-driven instabilities, stellarators are inherently steady-state and immune from current disruptions. However, stellarators are not axisymmetric and exhibit a fully three-dimensional elds that complicate the reactor design. Because of their di erences, the two devices require di erent downstream power plants that are devoted to extract the thermal power generated by fusion reaction and convert it into electricity. This work focuses on the conception and optimization of the power conversion plant for: (i) the European DEMOnstration tokamak-based fusion reactor with helium cooled blanket and (ii) a stellarator reactor equipped with plasma-facing liquid metal walls in the 700-900 C temperature range. For the DEMO power conversion plant, we rely on the indirect coupling of DEMO plant, conceived to overcome the critical aspect of tokamak-like reactor duty cycle which includes long plasma-burn phases followed by fast dwells. For this reason, in chapter 3 we use a custom time-dependent model and study the in uence of the relevant design parameters on the plant e ciency. In chapter 4, we optimize the power conversion system for the stellarator reactor and asses its technical feasibility. In particular, thanks to the higher breeder and coolant temperature compared to tokamak-based reactor ( 500 C in DEMO), we posit to use a supercritical CO2 Brayton-Rankine Combined Cycle that boosts the power conversion e ciency. For both magnetic fusion reactors, we estimate the internal electric power consumptions due to tritium plant, power supplies for the magnet, cryogenic, and pumping systems. We account for these electric requirements for assessing both the useful electricity and the power plant e ciency. We obtain an e ciency that in the case of DEMO system is comparable to the state-of-the-art designs in the eld of thermonuclear fusion plants, while in stellarator-based plant is remarkably higher. In chapter 5, we posit the challenge to use a stellarator reactor to retro t convectional power plants. We perform thermodynamic, economic, and investment analysis by comparing di erent levels of recycling the existing components and structures. In such study, we focus on a Pressurized Water Reactor nuclear ssion in France and a supercritical coal red power plant in Italy with the dual aim of increasing the plants lifetime and of facilitating the investments in carbon-free electricity production.

Nella prospettiva di una rapida decarbonizzazione delle fonti energetiche, l’energia da fusione potrebbe fornire il carico di base e assicurare la maggior flessibilità, in presenza di fonti rinnovabili intermittenti. I reattori nucleari a fusione maggiormente promettenti che utilizzano il confinamento magnetico sono i tokamak e gli stellarator. A differenza dei tokamak, operanti in modalità pulsata e soggetti a molte instabilità legate alla presenza della corrente nel plasma, gli stellarator sono intrinsecamente stazionari e tali instabilità sono di fatto assenti. Tuttavia, gli stellarator non sono assial-simmetrici e utilizzano campi magnetici 3D, che complicano la progettazione del reattore. A causa delle loro differenze, i due reattori richiedono differenti impianti di potenza a valle, dedicati all’estrazione della potenza termica generata dalla reazione di fusione e alla sua conversione in elettricità. Il lavoro si concentra sulla concezione e ottimizzazione dell’impianto di conversione di potenza per: (i) il reattore a fusione europeo DEMOnstration, basato sul dispositivo tokamak che con mantello fertile (Breeder Blanket) raffreddato con elio gassoso, e (ii) un reattore basato sul dispositivo stellarator, che utilizza metallo liquido affacciato al plasma operante nell’intervallo di temperatura 700-900°C. Per il tokamak DEMO, consideriamo l’accoppiamento indiretto tra impianto e reattore. Questo si permette di superare la problematica dei tokamak, i quali prevedono lunghe fasi di generazione di potenza seguite da brevi fasi di spegnimento. Per questo motivo, nel capitolo 3 utilizziamo un modello personalizzato e tempo-dipendente, e studiamo l’influenza sull’efficienza dell’impianto dei parametri di progettazione più rilevanti. Nel capitolo 4, ottimizziamo il sistema di conversione di potenza per il reattore stellarator e ne valutiamo la fattibilità ingegneristica. In particolare, grazie alla maggiore temperatura del liquido fertilizzante e refrigerante, rispetto al tokamak (~500°C in DEMO), utilizziamo un ciclo combinato Brayton-Rankine a CO2 supercritica, in grado di aumentare I'efficienza di conversione. Per entrambi i reattori a fusione magnetica, stimiamo i consumi interni di potenza elettrica, che sono dovuti all’impianto del trizio, ai magneti, ai sistemi criogenici e di pompaggio. Teniamo conto di questi fabbisogni elettrici per valutare sia la potenza elettrica utile che I’efficienza complessiva dell’impianto. Ne risulta un’efficienza che nel caso del reattore DEMO è paragonabile allo stato dell’arte per gli impianti di fusione termonucleare, mentre per il reattore stellarator è notevolmente superiore. Nel capitolo 5, ci poniamo l'obiettivo di utilizzare un reattore basato su stellarator per il riammodernamento di impianto di potenza convenzionali. Eseguiamo analisi termodinamiche, economiche e di investimento allo scopo di confrontare diversi livelli di riutilizzo di componenti e strutture esistenti nelle centrali. Ci concentriamo su un reattore nucleare a fissione ad acqua pressurizzata, in Francia, e una centrale a carbone con tecnologia supercritica, in Italia, con il duplice obiettivo di aumentarne la vita operativa e di facilitare gli investimenti nella produzione di energia a zero emissioni di carbonio.