A new design concept of Tokamak divertor: heat flux and temperature modelling

In a fusion reactor, the divertor is required to withstand intense heat loads during operation. At present, the ITER divertor design, and other designs based on it such as JT-60SA and DEMO consists of poloidally-running cooling channels armoured with cuboid tungsten monoblocks, with a rectangular surface exposed to plasma flux. This shaping solution presents criticalities on the exposed sharp edges, that are susceptible to the formation of optical hotspots that could melt or vaporize during irradiation in an ITER-like scenario. Because the plasma-facing units run poloidally, extremely tight assembly tolerances are required to garantee that each plasma-facing unit effectively protects the one downstream of it. The assembly tolerances in ITER are 0.3mm. This work proposes a new divertor design: nearly toroidally running cooling channels with conically shaped monoblocks bonded to them. A curved surface allows a more efficient heat transfer to the coolant fluid, and reduces thermal stresses that can lead to the cracking of the tungsten armor. This shaping solution eliminates sharp edges, directly exposed to parallel plasma flux, while protecting and providing magnetic shadowing of the leading edges during inter-ELM operation. Particles at higher energies during ELMs are still able to penetrate inside the poloidal gap between cones.\\ The heat load due to plasma exposure is calculated using a numerical model, and the temperature profiles are then simulated through ANSYS . The optical approximation is sufficient for the description of particle orbits at low energies; for energies higher than 1keV gyrokinetic calculations are required. The shape and position of the heated surface are influenced by the tube tilting with respect to the magnetic field lines; toroidally running cooling channels present the necessity to understand the optimal orientation that prevents plasma from passing between them to irradiate the underlying support structure, while maintaining the incident heat flux at acceptable levels. This shaping solution is quite insensitive to misalignments between plasma-facing units, allowing a more relaxed assembly tolerance, and gains concerning cost and manufacturing complexity. Depending on the tungsten armour thickness, peak temperature values remain below the recrystallization temperature of tungsten during steady state operation. ELM heat loads can lead to maximum temperature values that can exceed the melting point of tungsten.

In un reattore a fusione, il divertore deve resistere ad intensi carichi termici durante il funzionamento. Attualmente, il design del divertore di ITER, e altri design basati su di esso come JT-60SA e DEMO, consiste in canali di raffreddamento a orientati nella direzione poloidale corazzati con monoblocchi cuboidi di tungsteno, con una superficie rettangolare esposta al flusso di plasma. Questa soluzione presenta criticità sugli spigoli e sui bordi taglienti esposti ed è soggetta alla formazione di punti caldi ottici che potrebbero fondere o vaporizzare durante l'irraggiamento in uno scenario simile a quello di ITER. Poichè gli elementi esposti al plasma sono orientati poloidalmente, è richiesta estrema precisione di assemblaggio affinchè ogni elemento possa proteggere quello a valle del flusso di plasma. Nel caso di ITER la tolleranza di assemblaggio è di 0.3mm. Il presente lavoro propone un nuovo design del divertore: canali di raffreddamento con andamento nella direzione toroidale legati a monoblocchi di forma conica. Una superficie curva consente un trasferimento del calore più efficiente al fluido refrigerante, e riduce gli stress termici che potrebbero portare alla formazione di spaccature e rottura dell'armatura di tungsteno. Questa soluzione di sagomatura elimina i lunghi bordi toroidali, esposti ai flussi di plasma paralleli, garantendo al contempo protezione e ombreggiatura magnetica dei bordi scoperti durante il funzionamento inter-ELM. Le particelle a più alta durante gli ELM sono ancora in grado di penetrare all'interno della fessura poloidale. I carichi termici dovuti all'esposizione al plasma sono calcolati tramite un modello numerico, successivamente i profili di temperatura vengono simulati attraverso ANSYS. L'approssimazione ottica è sufficiente per la descrizione dell'orbita delle particelle a basse energie; per energie superiori a 1keV sono necessari calcoli girocinetici. La forma e posizione della superficie riscaldata sono influenzate dall'inclinazione del tubo rispetto alle linee di campo magnetico incidente; canali di raffreddamento a scorrimento toroidale presentano la necessità di comprendere l'orientamento ottimale che impedisce al plasma di passare attraverso i tubi e irraggiare la struttura di supporto sottostante. Questa soluzione di sagomatura risulta quasi insensibile ai disallineamenti tra elementi, consentendo una tolleranza di montaggio e assemblaggio più rilassata, che di conseguenza influisce positivamente sui costi e la complessità di manifattura. A seconda dello spessore del rivestimento, i valori di temperatura di picco rimangono al di sotto della soglia di ricristallizzazione del tungsteno durante il funzionamento a regime. I carichi termici durante gli ELM possono portare a valori di temperatura che possono superare il punto di fusione del tugsteno.