The development of tritium transport models for the dual coolant lithium lead breeding blanket concept: the effect of magnetohydrodynamics on tritium behavior

Abstract

El tritio es uno de los combustibles necesarios para los futuros reactores de fusión por confinamiento magnético. Se trata de un elemento inestable y muy escaso en la naturaleza, lo que lo convierte en un recurso valioso y estratégico para la sociedad. Es por ello que, desde hace varias décadas, se están desarrollando distintos diseños de envolturas regeneradoras (breeding blankets), cuya función es regenerar el tritio quemado en el reactor. De esta manera, se pretende desarrollar una tecnología de fusión autosuficiente respecto al tritio, es decir, que no dependa de la inyección constante de tritio proveniente de fuentes externas. Al igual que los demás isótopos de hidrógeno, el tritio no puede confinarse fácilmente debido a su capacidad de permear a través de las estructuras sólidas conforme a las leyes de la difusión. Por ello, la creación de herramientas computacionales predictivas rápidas y de suficiente precisión resulta fundamental para el diseño de la envoltura. En concreto, el objetivo principal de este proyecto de investigación es desarrollar modelos de transporte de tritio optimizados para el concepto de envoltura regeneradora de doble refrigerante DCLL (Dual Coolant Lithium Lead). Para cumplir este objetivo, se ha empleado una metodología nueva basada en el uso recursivo de modelos a nivel de sistema y de modelos tridimensionales de elementos finitos. Los primeros son rápidos y consumen pocos recursos, sin embargo, su precisión está sumamente limitada por su baja dimensionalidad. Por el contrario, los modelos de elementos finitos ofrecen una gran precisión pero requieren una cantidad muy considerable de tiempo y recursos. El uso combinado de ambos tipos de modelos ha permitido realizar una optimización de los modelos a nivel de sistema y, así, incrementar enormemente su precisión en comparación con otros modelos desarrollados en el pasado. El desarrollo de modelos de transporte de tritio tridimensionales requiere de un estudio fluidodinámico previo de la envoltura. En efecto, la envoltura DCLL está basada en una aleación líquida de litio-plomo que fluye en torno al plasma del reactor. La dinámica del metal líquido está dominada por los efectos magnetohidrodinámicos: potentes fuerzas de Lorentz causadas por el campo magnético del reactor. Estas fuerzas modifican el perfil de velocidades del metal líquido, lo que repercute muy significativamente en el transporte de tritio. En el presente trabajo se han realizado los primeros estudios en los que se analiza el efecto de las fuerzas MHD en la evolución del tritio. Gracias a los resultados obtenidos, se ha logrado reducir notablemente la incertidumbre asociada a los modelos de transporte del DCLL a nivel de sistema.