System-level modeling of a liquid metal divertor for the EU DEMO fusion reactor

Within nuclear engineering world, fission reactors are a widespread technology with a high level of maturity. On the other hand, nuclear fusion is still at an experimental stage, not yet able to produce an economically viable and competitive amount of energy. Among the major challenges to be faced, there is the issue of heat exhaust. If the "First Wall" component of the machine deals with the radiative exchange, in case of advection and conduction the system is formed by a target that can be a limiter or a divertor. The latter represents an interesting and efficient choice. ITER project will use a divertor completely solid, while for the DEMO higher size prototype this may not be enough. In this thesis, the goal is to investigate the feasibility of a liquid metal divertor. Among the various designs proposed, we will focus on the one presented by ENEA, characterized by a porous structure through which the liquid metal flows. As a preliminary step to the design and testing phase of the component, in this thesis a model of the divertor has been developed using Modelica code and Dymola simulation environment in order to analyze the behavior of divertor under different design conditions. As working fluid, in addition to the lithium option, we wanted to investigate tin that has many advantages over the former, such as less evaporation and therefore less pollution of the plasma. The results show that, following the evaporation of lithium and tin, the heat coming from plasma at some point starts to become comparable with the one extracted from phase change of the liquid. As a consequence, the metal remained liquid tends to decrease its temperature until it even reaches the point of solidification. It seems counterintuitive that for an increasing input power the target cools down, but these are the results of simulations and therefore in future research activities it is recommended to refine the model and investigate this phenomenon more thoroughly.

Nell’ambito dell’ingegneria nucleare, i reattori a fissione sono una tecnologia diffusa e con un livello di maturità elevato. D’altra parte, la fusione nucleare è ancora ad uno stadio sperimentale, non riuscendo ancora a produrre una quantità di energia economicamente sostenibile e competitiva. Tra le grandi sfide da affrontare, c’è la problematica dello smaltimento del calore. Se il componente di “Prima Parete” della macchina si occupa dello scambio radiativo, in caso di convezione e conduzione il sistema è formato da un target che può essere un limiter oppure un divertore. L’ultima opzione rappresenta una scelta interessante e efficiente. Il progetto ITER utilizzerà un divertore interamente solido mentre per il prototipo di taglia superiore DEMO questo potrebbe non bastare. In questa tesi l’obiettivo è quello di investigare la fattibilità di un divertore a metallo liquido. Tra i vari design proposti, ci si concentrerà su quello presentato da ENEA, caratterizzato da una struttura porosa attraverso cui il metallo liquido scorre. Come fase preliminare alla progettazione e alla fase di test del componente, in questa tesi è stato sviluppato un modello del divertore utilizzando il codice Modelica e l’ambiente di simulazione Dymola in modo da analizzare il comportamento del divertore in diverse condizioni di progetto. Come fluido di lavoro, oltre all’opzione litio, si è voluto investigare lo stagno che ha molti vantaggi rispetto al primo, quale una minore evaporazione e dunque un minore inquinamento del plasma. Dai risultati si è evinto che, a seguito dell’evaporazione del Litio e dello Stagno, il calore derivante dal plasma a un certo punto diventa confrontabile con quello estratto dal liquido a causa del cambiamento di fase. Come conseguenza il metallo rimasto liquido tende a diminuire la sua temperatura fino a raggiungere addirittura il punto di solidificazione. Sembra controintuitivo che per una potenza in input sempre più grande il target si raffreddi, ma questi sono i risultati delle simulazioni e dunque in ricerche future si consiglia di affinare il modello e investigare più a fondo tale fenomeno.