Jaderná fůze - budoucnost, která posouvá technologie na samotný okraj

Jaderná fúze. Proces, který se odehrává na Slunci, má potenciál generovat prakticky neomezené množství čisté, bezpečné energie na Zemi. Ačkoliv energie z jaderné syntézy je již dlouho zkoumána, vývoj spolehlivého systému pro její generování stojí velké úsilí. Inženýři francouzské Komise pro atomovou energii (CEA) používají software ANSYS k překonání obtížných úkolů při ochraně komponentů fúzního reaktoru před provozními teplotami kolem 150 milionů stupňů. Elektromagnetické a konstrukční simulace ANSYS jsou využívány pro konstrukci komponentů, které vydrží enormní tepelné zatížení; ANSYS software pro dynamiku tekutin, ANSYS Fluent, se používá pro návrh chladicích systémů; optická simulace je využívána ke kalibraci infračervených teplotních měřicích systémů tak, aby inženýři mohli přesně rozlišit světlé skvrny způsobené jak přímým tepelným tokem, tak i jeho následným odrazem od povrchu reaktoru.

Image

Pohled do útrob fůzního reaktoru

„S využitím prototypových antén, jejichž pořizovací cena je v řádu milionů eur, jsou přesné simulace důležitou součástí při vývoji fúzního reaktoru jako potenciálního zdroje energie.“

Výroba elektřiny z fúzních reakcí vyžaduje, aby horká plazma byla udržována na enormních teplotách. Experimentální supravodivý Tokamak k dosažení těchto teplot „vstřikuje“ několikamegawattové vysokoenergetické spektrum radiofrekvenčního (RF) záření do proudící plazmy za pomoci antén. Tyto antény jsou několik metrů dlouhé, půl metru široké a s hmotností několika tun. Vzhledem k provozním podmínkám panujícím uvnitř Tokamaku používá CEA multifyzikální software ANSYS k navrhování antén tak, aby odolávaly tepelnému namáhání generovanému tepelným tokem plazmy, ohmickým ohřevem a RF odrazy. Software ANSYS umožňuje simulovat infračervené záření jednotlivých komponentů plazmy a zajistit tak přesnost těchto antén. Simulace pomáhá CEA zvýšit RF výkon antén, snížit výrobní náklady a počet požadovaných prototypů, což vede k úspoře milionů eur.

Image

ANSYS Fluent demonstruje rozložení tlaku uvnitř chladící okruhu vodou chlazené antény

Výpočet tepelné zátěže

Inženýři CEA používají ANSYS HFSS pro optimalizaci RF konstrukce antény za účelem maximalizace energie přenesené z antény na plazmu. Následuje predikce ohmického zatížení pro následnou analýzu tepelného namáhání. Modelování vyzařovacího média je komplikováno skutečností, že magnetická plazma je nehomogenní - její hustota a teplota vzrůstají od jejího okraje ke středu. Její materiálové vlastnosti jsou nelineární jak ve frekvenčním spektru, tak i v prostorové doméně. Na hranici plazmy s anténou může být plazma aproximována gyrotropním médiem, které bylo nahrazeno kvazi-statickým magnetickým polem. Na žádost CEA a Mezinárodního termonukleárního experimentálního reaktoru (ITER), nadnárodního experimentálního fúzního reaktoru ve výstavbě, ANSYS přidal podporu komplexních gyrotropních médií k HFSS, takže může být použit k simulaci rozhraní mezi plazmou a anténou.

Tepelné zatížení antény zahrnuje ohmické ztráty, tepelný tok generovaný plazmou a výkon RF odražený plazmou zpět do antény. Plazmový tepelný tok a odražený RF výkon jsou určeny předchozími fyzikálními experimenty a fyzikálními modely. Ohmické ztráty, jak je uvedeno výše, jsou vypočteny pomocí HFSS. Software ANSYS Fluent pro výpočetní dynamiku tekutin (CFD) se používá k optimalizaci průtoku tekutiny a přenosu tepla chladicími kanály. ANSYS Mechanical pro analýzu konečných prvků (FEA) bere v úvahu všechna tato tepelná zatížení a vypočítává teploty v každém bodě antény. ANSYS Mechanical pak tyto teploty převádí na tepelné namáhání a přidává je k mechanickému namáhání. Analýza únavy pomocí ANSYS Mechanical se provádí kvůli stanovení životnosti navrhovaných konstrukčních variant, zejména z hlediska počtu poruchových událostí, které mohou zvládnout.

Image

ANSYS HFSS simulace elektrického pole uvnitř 3,7 Ghz antény. Radiofrekvenční (RF) výkon vstupuje z pravé strany obrázku a teče směrem doleva. RF výkon je rozdělen do tří složek ve vertikálním směru a následně do šesti složek v horizontálním směru. Před samotnou aplikací do plazmy je fázově posunut.

Výzvy při návrhu antény

Plazma je stav hmoty, ve kterém byly elektrony odtrženy od svých mateřských atomů, takže elektrony a ionty se pohybují nezávisle. Plazma je vodivý materiál; protékající elektrický proud ji ohřívá a ona pak působí jako „radiátor“. Protože plazmatická rezistivita klesá se zvyšováním teploty, může plazma při této metodě dosahovat teplot několika desítek milionů stupňů. Pro praktické využití jsou však zapotřebí teploty o řád vyšší, proto výzkumný stroj CEA WEST „vstřikuje“ do plazmy silné radiofrekvenční (RF) vlny. Jak plazma vyzařuje intenzivní tepelný tok na antény - několik desítek kilowattů na metr čtvereční (kW / m2) v průměru a megawatty na metr čtvereční (MW / m2) v nejteplejších oblastech, antény musí být chlazeny vnitřním oběhem, tedy vodními kanály, které antény ochladí na maximálně několik stovek stupňů. Navíc megawatty vysokofrekvenčního výkonu generují další tepelné toky z ohmických ztrát v anténě a část RF výkonu se odráží od plazmy zpět k anténě. Anténa musí také odolávat mechanickému namáhání při ztrátě magnetohydrodynamické stability. Během této události elektrický proud cirkulující v plazmě klesá z několika miliónů ampérů na nulu během 10 milisekund nebo méně. To vytváří značný kroutící moment u součástí, které přicházejí do styku s plazmou, např. u antény.

Image	Image
Rozložení ohmických ztrát získané pomocí ANSYS HFSS	Predikce rozložení teplot na anténě pomocí ANSYS Mechanical
Image
ANSYS HFSS demonstruje magnetické pole produkované 50 MHz anténou

Simulace infračervených zařízení

Tepelné zatížení antény a dalších komponent na straně plazmy závisí na mnoha faktorech, které nelze předem plně simulovat. Infračervené (IR) kamery se používají zejména ke sledování povrchových teplot antény, takže průtok plazmy může být bezpečně vypnut dříve, než budou tyto drahé komponenty poškozeny. Kontrola správnosti měření teploty je tedy zásadní. Infračervený systém musí být schopen detekovat velmi malá horká místa a teplotní gradienty. Vzhledem k tomu, že kovové prostředí Tokamaku je vysoce odrazné, tepelné signály používané pro hodnocení povrchových teplot budou rušeny mnoha odrazy z horkých oblastí, což povede k nepřesnostem. Nepřesné měření teploty by mohlo mít za následek zbytečné (a drahé) odstavení reaktoru, pokud je teplota nadhodnocena. V opačném případě, pokud je teplota podhodnocena, existuje riziko poškození komponent v nádobě.

Image

Fyzické vyobrazení antény
Zdroj: C. Roux, R. Volpe, CEA

Pro řešení těchto výzev používá CEA software ANSYS SPEOS k simulaci schopnosti IR systému měřit teplotu antén a dalších komponent v nádobě, jako je spodní divertor (oblast Tokamaku, která přijímá největší část teplotního zatížení od plazmy). SPEOS modeluje komplexní fyzikální jevy, které se podílejí na interakci fotonů s látkou a jejich šíření uvnitř IR systému. Tento software předpovídá radiometrické obrazy generované různými typy materiálů, aby se předvídalo, jak stárnutí materiálů ovlivní budoucí zobrazování IR. SPEOS se používá k predikci globální odezvy kompletního IR systému s ohledem na všechny zdroje infračerveného záření - 3D geometrie Tokamaku a světelná odrazivost materiálu, která byla určena tzv. obousměrnou distribuční rozptylovou funkcí (BSDF). SPEOS se také používá k modelování IR kamer včetně jejich geometrických optických vlastností, jako jsou jejich rozměry, rozsah vlnových délek, spektrální propustnost a počet pixelů. Simulace určují skutečné IR snímky, které budou vycházet z různých povrchových teplot, což umožní kalibrovat IR systém tak, aby poskytoval přesné měření (například pro opravu falešných horkých míst v důsledku odrazu).

Image

ANSYS SPEOS (vpravo) a jeho korelace s IR záznamem (vlevo)

Pokud jediný prototyp antény stojí miliony EUR, jsou přesné simulace elektromagnetických interakcí mezi magnetizovanou plazmou a RF anténami, teplotního napětí na anténě a měření IR teplot na anténách rozhodující pro vývvoj tohoto potenciálního zdroje energie. Víceúčelový software ANSYS pomáhá konstruktérům CEA řešit všechny tyto výzvy na cestě k produkci jaderné energie v moderních fúzních elektrárnách. Výsledkem je, že počet prototypů kompletní antény byl podstatně snížen a doba její konstrukce zkrácena z pěti let na jeden rok. Simulace rovněž pomohla inženýrům CEA zvýšit výkon a snížit výrobní náklady těchto antén.