Nuclear technology and engineering studies on reflectometry systems for ITER and DEMO

Resumo

A fusão nuclear controlada é umas das soluções mais promissoras para o aumento da procura por formas mais sustentáveis de produção de energia eléctrica à escala global. No caminho a percorrer até à comercialização de energia eléctrica produzida através da fusão, o reactor DEMO, desenvolvido pelo consórcio EUROFusion, é um passo intermédio entre o ITER (em construção) e os reactores comerciais do futuro. Tokamaks de grandes dimensões como o ITER e o DEMO requerem redes complexas de sistemas de diagnóstico, que permitam controlar o plasma de forma fiável por longos períodos de operação.

Entre estes, a reflectrometria de microondas já demonstrou ser uma forma alternativa de controlo, capaz de monitorizar a densidade, a posição e a forma do plasma com elevada resolução espacial e temporal. Esta tese apresenta estudos de design e engenharia para dois sistemas de diagnóstico desenvolvidos pelo IPFN/IST: o sistema de reflectometria de posição de plasma (PPR) do ITER e um sistema com múltiplos reflectómetros proposto para o DEMO. Devido à natureza das medições, alguns dos componentes destes sistemas estarão expostos directamente ao plasma, sujeitos a elevados fluxos de neutrões de alta energia (14 MeV) que contribuirão para as cargas térmicas nos componentes e poderão ter como efeito alterar as propriedades dos materiais, pondo em risco a sua integridade mecânica durante os períodos de funcionamento dos reactores.

Por esta razão, estudos complexos de design (envolvendo neutrónica, análises termo-mecânicas e simulações electromagnéticas) são cruciais para garantir que os diagnósticos sobrevivem aos ambientes de radiação do ITER e do DEMO sem comprometer o seu desempenho. Para o sistema PPR do ITER, o software ANSYS Mechanical foi usado para estimar as temperaturas de operação dos componentes mais expostos, em duas posições distintas, conhecidas como gaps 4 e 6. Nas configurações estudadas, os resultados mostram que as antenas do sistema PPR estariam sujeitas a temperaturas superiores ao limite estabelecido pelo ITER para o aço inoxidável sob 1 irradiação, mesmo após várias tentativas de optimização.

Tendo em conta estes resultados, diferentes materiais foram propostos para as antenas. Apesar de a Organização ITER ter descontinuado o desenvolvimento do sistema PPR, o conhecimento adquirido durante os estudos de integração e desenvolvimento continua a ser válido para o desenho do sistema de reflectometria proposto para o DEMO. Para este sistema, um conceito de integração proposto previamente – Diagnostics Slim Cassette (DSC) – foi desenhado e avaliado. Os códigos CATIA V5, MCNP e ANSYS foram usados para desenhar o sistema e estimar fluxos de neutrões e radiação gama, cargas térmicas e temperaturas de operação, assim como o impacto que essas condições de operação terão nas medições de reflectometria.

As análises nucleares e termo-mecânicas apresentadas neste trabalho demonstram a viabilidade do conceito e a capacidade do sistema para operar no ambiente de radiação do reactor DEMO, de acordo com os padrões estabelecidos pelo código RCC-MR. Este resultado é obrido com uma configuração simplificada do sistema de arrefecimento, possível de fabricar com técnicas convencionais. Os resultados e as metodologias implementadas nesta tese podem servir como directizes para outros sistemas de diagnostico, nomeadamente aqueles em que a DSC possa servir como possível solução de integração.