Para lograr energía práctica a partir de la fusión, el calor extremo del componente de "manta" del sistema de fusión debe extraerse de manera segura y eficiente. Los expertos en fusión del Laboratorio Nacional de Oak Ridge están explorando cómo pequeños obstáculos impresos en 3D colocados dentro de las tuberías estrechas de un sistema de enfriamiento hecho a medida podrían ser una solución para eliminar el calor de la manta.

Un equipo de ORNL está probando este enfoque en un sistema de bucle de flujo de helio construido para determinar qué geometrías son las más efectivas para ayudar al flujo de gas en movimiento continuo, enfriando las estructuras metálicas. El esfuerzo reúne la experiencia en tecnología de fusión de ORNL con las capacidades de fabricación avanzadas del laboratorio.

En los sistemas de fusión, la manta es un componente que absorbe calor dentro del reactor y rodea el plasma dentro del recipiente de vacío para proteger otros componentes del calor extremo. La manta suele tener entre 0,5 y 1,5 metros de espesor. Además, la manta juega un papel fundamental en la captura de la energía térmica de los neutrones y la generación de combustible de fusión.

"Estamos abordando un problema de investigación de fusión que ha sido muy poco estudiado desde la década de 1990, cuando los científicos identificaron por primera vez que algunas perturbaciones pueden aumentar la transferencia de calor", dijo Charles Kessel, líder de la Sección de Ingeniería, Tecnología y Ciencia Nuclear de Fusión de ORNL y director de la Laboratorio Virtual de Tecnología.

Si bien la instalación de fusión internacional ITER está en proceso de ensamblaje y otros dispositivos de fusión están en operación o desarrollo, sigue existiendo una necesidad global de soluciones de tecnología de enfriamiento general para respaldar una futura planta piloto de fusión.

Para producir electricidad a partir de futuros reactores de fusión, el plasma debe alcanzar temperaturas más altas que el sol. Se requiere un sistema de enfriamiento para evitar dañar los componentes vitales del reactor mientras se asegura que el núcleo del dispositivo continúe operando a altas temperaturas y alcance una generación de energía eficiente.

En las últimas décadas, los investigadores han desarrollado y probado ideas sobre cómo hacer esto utilizando sistemas a base de agua. Pero el helio ofrece varias ventajas sobre el agua en el entorno del reactor de fusión de alta temperatura, que van desde la seguridad hasta la compatibilidad de materiales y la alta eficiencia de conversión térmica.

"El agua no funciona bien con martensítico ferrítico de activación reducida, o RAFM, ​​un tipo de acero que la comunidad de materiales ha desarrollado como un posible componente clave para el reactor de fusión. Sin mencionar que el uso de agua también podría representar un riesgo de contaminación en caso de una fuga", dijo Kessel.

Además, el agua tiene el potencial de interactuar con compuestos de litio utilizados para producir tritio, el principal candidato para alimentar reactores de fusión. También requiere presiones muy altas para permanecer líquido a ciertas temperaturas y tiene el potencial de causar corrosión.

El helio tiene ventajas significativas sobre el agua. El rasgo más importante para la fusión es que el helio puede soportar temperaturas tan altas como sea necesario y está limitado solo por los materiales sólidos que lo contienen. Además, es más eficiente que el agua o el vapor al convertir la energía térmica en electricidad, debido a la tolerancia a altas temperaturas.

Para estudiar el papel que podría desempeñar el helio como agente refrigerante, los investigadores de fusión de ORNL tuvieron que superar otro desafío. A pesar de que el enfriamiento con helio se destacó como una de las necesidades de nivel superior para los estudios generales de fusión en el proceso de planificación de la comunidad de fusión de EE. UU. de la Sociedad Estadounidense de Física-División de Física del Plasma 2019-2020, aún no se contaba con la infraestructura para hacer realidad esta investigación. . Es por eso que Kessel y su equipo decidieron construir el suyo propio.

El circuito de prueba, que consta de una bomba, una red de tuberías y una sección de prueba ensamblada en forma de cubo de 10 pies, parece simple pero requiere muchos ajustes.

"Actualmente estamos probando el ensamblaje en busca de fugas, y en las próximas semanas comenzaremos a probar la presión, que aumentará hasta llegar a 600 libras por pulgada cuadrada, o alrededor de 40 atmósferas", dijo Kessel.

Un laberinto preciso

El enfriamiento con helio presenta desafíos, incluida su ligereza tanto en peso como en densidad, lo que dificulta que el gas elimine el calor de manera efectiva.

Para resolver ese problema, Kessel y su equipo desarrollaron una solución innovadora:un conjunto de tuberías especialmente diseñadas que cuentan con pequeños obstáculos impresos en 3D dentro de los tubos para ayudar al helio a encontrar su camino a través del sistema de enfriamiento y evitar el estancamiento. Cuando el flujo de helio golpea los obstáculos, crea una turbulencia que fuerza al gas en diferentes direcciones que, a su vez, mejora la eliminación y mezcla de calor.

Pero la forma, el tamaño y la posición de estos obstáculos no pueden dejarse al azar. Para encontrar el diseño más eficiente, el equipo ha recopilado datos geométricos mediante el uso de simulaciones de dinámica de fluidos computacionales.

"Aunque la idea de usar canales de flujo llenos de obstáculos para mejorar la eliminación de calor del helio ha estado dando vueltas durante más de dos décadas, siempre nos ha faltado un estudio sistemático de cómo los diferentes tipos de perturbaciones interactúan con el gas. Este nivel de precisión será necesario al abordar el diseño de futuros reactores de fusión", dijo Kessel.

Con la informática, los científicos pueden desarrollar modelos optimizados de turbulencia de helio capaces de operar de manera efectiva en reactores de fusión. Hasta ahora, el equipo ha producido alrededor de 10 patrones de perturbación diferentes. Esperan que las geometrías se vuelvan cada vez más complejas, por lo que confían en técnicas de fabricación avanzadas para producir nuevas secciones de prueba.

"Espero con ansias las comparaciones detalladas del flujo de helio pronosticado computacionalmente a través de estas perturbaciones junto con la visualización experimental de esos patrones de flujo. Esto llevará el estudio del enfriamiento del helio y la comprensión de sus comportamientos de flujo al siguiente nivel donde las predicciones se pueden cambiar con confianza. en diseños reales", dijo Kessel. + Explora más

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