Per ottenere energia pratica dalla fusione, il calore estremo dal componente "coperta" del sistema di fusione deve essere estratto in modo sicuro ed efficiente. Gli esperti di fusione dell'Oak Ridge National Laboratory stanno esplorando come piccoli ostacoli stampati in 3D posizionati all'interno dei tubi stretti di un sistema di raffreddamento su misura potrebbero essere una soluzione per rimuovere il calore dalla coperta.

Un team di ORNL sta testando questo approccio in un sistema ad anello di flusso di elio costruito per determinare quali geometrie sono le più efficaci nell'aiutare il flusso del gas in movimento continuo, raffreddando le strutture metalliche. Lo sforzo unisce l'esperienza della tecnologia di fusione di ORNL con le capacità di produzione avanzate del laboratorio.

Nei sistemi di fusione, la coperta è un componente che assorbe il calore all'interno del reattore, circondando il plasma all'interno del recipiente a vuoto per proteggere gli altri componenti dal calore estremo. La coperta è solitamente spessa tra 0,5 e 1,5 metri. Inoltre, la coperta svolge un ruolo fondamentale nella cattura dell'energia termica dai neutroni e nella generazione di combustibile da fusione.

"Stiamo affrontando un problema di ricerca sulla fusione che è stato gravemente sottovalutato dagli anni '90, quando gli scienziati hanno identificato per la prima volta che alcuni disturbi possono aumentare il trasferimento di calore", ha affermato Charles Kessel, leader della sezione di scienza, tecnologia e ingegneria nucleare dell'ORNL e direttore del Laboratorio virtuale per la tecnologia.

Mentre l'impianto di fusione internazionale ITER è in fase di assemblaggio e altri dispositivi di fusione sono in funzione o in fase di sviluppo, rimane la necessità globale di soluzioni tecnologiche di raffreddamento a tappeto per supportare un futuro impianto pilota di fusione.

Per produrre elettricità dai futuri reattori a fusione, il plasma deve raggiungere temperature più calde del sole. È necessario un sistema di raffreddamento per evitare di danneggiare i componenti vitali del reattore, assicurandosi che il nucleo del dispositivo continui a funzionare a temperature elevate e raggiunga un'efficiente generazione di energia.

Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno sviluppato e testato idee su come farlo utilizzando sistemi a base d'acqua. Ma l'elio offre numerosi vantaggi rispetto all'acqua nell'ambiente del reattore a fusione ad alta temperatura, che vanno dalla sicurezza alla compatibilità dei materiali e all'elevata efficienza di conversione termica.

"L'acqua non funziona bene con ferritico martensitico ad attivazione ridotta, o RAFM, ​​un tipo di acciaio che la comunità dei materiali ha sviluppato come possibile componente chiave per il reattore a fusione. Senza contare che l'uso dell'acqua potrebbe anche rappresentare un rischio di contaminazione nel caso di una perdita", ha detto Kessel.

Inoltre, l'acqua ha il potenziale per interagire con i composti di litio utilizzati per la produzione di trizio, il principale candidato per alimentare i reattori a fusione. Richiede inoltre pressioni molto elevate per rimanere liquido a determinate temperature e può causare corrosione.

L'elio ha vantaggi significativi rispetto all'acqua. La caratteristica più importante per la fusione è che l'elio può resistere a temperature elevate quanto necessario ed è limitato solo dai materiali solidi che lo contengono. Inoltre, è più efficiente dell'acqua o del vapore quando converte l'energia termica in elettricità, grazie alla tolleranza alle alte temperature.

Per studiare il ruolo che l'elio potrebbe svolgere come agente di raffreddamento, i ricercatori sulla fusione ORNL hanno dovuto superare un'altra sfida. Anche se il raffreddamento dell'elio è stato evidenziato come una delle esigenze di primo livello per gli studi sulla coperta di fusione presso il processo di pianificazione della comunità di fusione degli Stati Uniti 2019-2020 dell'American Physical Society-Division of Plasma Physics, l'infrastruttura per trasformare questa ricerca in realtà non era ancora in atto . Ecco perché Kessel e il suo team hanno deciso di costruirne uno.

Il circuito di prova, che consiste in una pompa, una rete di tubi e una sezione di prova assemblata a forma di cubo di 10 piedi, sembra semplice ma richiede molta messa a punto.

"Attualmente stiamo testando l'assemblaggio per eventuali perdite e nelle prossime settimane inizieremo a testare la pressione, che aumenterà fino a raggiungere 600 libbre per pollice quadrato, o circa 40 atmosfere", ha affermato Kessel.

Un labirinto preciso

Il raffreddamento a elio presenta sfide, inclusa la sua leggerezza sia in termini di peso che di densità, che rende difficile per il gas rimuovere efficacemente il calore.

Per risolvere questo problema, Kessel e il suo team hanno sviluppato una soluzione innovativa:un set di tubi appositamente progettati che presentano piccoli ostacoli stampati in 3D all'interno dei tubi per aiutare l'elio a farsi strada attraverso il sistema di raffreddamento ed evitare il ristagno. Quando il flusso di elio colpisce gli ostacoli, crea una turbolenza che costringe il gas in diverse direzioni, il che, a sua volta, ne migliora la rimozione e la miscelazione del calore.

Ma la forma, le dimensioni e la posizione di questi ostacoli non possono essere lasciate al caso. Per trovare il progetto più efficiente, il team ha raccolto dati geometrici utilizzando simulazioni di fluidodinamica computazionale.

"Sebbene l'idea di utilizzare canali di flusso pieni di ostacoli per migliorare la rimozione del calore dell'elio sia in circolazione da oltre due decenni, ci è sempre mancato uno studio sistematico su come i diversi tipi di disturbi interagiscono con il gas. Questo livello di precisione sarà necessario quando si affronta la progettazione di futuri reattori a fusione", ha affermato Kessel.

Con l'informatica, gli scienziati possono sviluppare modelli ottimizzati di turbolenza dell'elio in grado di funzionare efficacemente nei reattori a fusione. Finora, il team ha prodotto circa 10 diversi modelli di disturbo. Si aspettano che le geometrie diventino sempre più complesse, quindi si affidano a tecniche di produzione avanzate per produrre nuove sezioni di prova.

"Non vedo l'ora di confronti dettagliati del flusso di elio previsto dal calcolo attraverso questi disturbi insieme alla visualizzazione sperimentale di quei modelli di flusso. Questo porterà lo studio del raffreddamento dell'elio e la comprensione dei suoi comportamenti di flusso al livello successivo in cui le previsioni possono essere trasformate con sicurezza in progetti reali", ha affermato Kessel. + Esplora ulteriormente

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