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Fecha
2025-09
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Editorial
Universidad Nacional de Educación a Distancia (España). Escuela Internacional de Doctorado. Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales.
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Resumen
La energía de fusión se plantea como una alternativa sólida para alcanzar fuentes energéticas limpias y sostenibles. En la Hoja de Ruta Europea para la Energía de Fusión, este ambicioso objetivo requiere el desarrollo de tecnologías avanzadas en reactores de fusión, tanto en sistemas tipo tokamak, como el reactor DEMO (DEMOnstration Power Plant), como en configuraciones tipo stellarator, como el reactor HELIAS (HELIcal Axis advanced Stellarator).
Entre los componentes más críticos en un reactor de fusión se encuentra la envoltura regeneradora (breeding blanket (BB)), fundamental para la extracción de energía de fusión, la generación y recuperación de tritio, y la protección frente a la radiación. Para garantizar la competitividad de los reactores de fusión en el mercado energético global, resulta imprescindible el desarrollo de conceptos avanzados de BB que utilicen refrigerantes de alta temperatura y materiales estructurales mejorados que permitan operar a temperaturas elevadas y mejorar la eficiencia energética. En Europa, la investigación sobre BB avanzados se centra principalmente en el concepto de Dual Coolant Lithium Lead (DCLL). Esta tesis está dedicada al diseño y la optimización de BB para DEMO y HELIAS basados en dicho concepto, con un enfoque en el desarrollo de soluciones innovadoras y herramientas de automatización.
Para el reactor DEMO, el diseño del DCLL BB presenta ya un cierto grado de madurez. Esta tesis se ha centrado en el diseño y la optimización del sistema de enfriamiento de la primera pared (first wall (FW)). Como componente expuesto directamente al plasma, la FW está sujeta a importantes cargas térmicas. Estas se originan, por un lado, en la generación de calor volumétrico debido a la interacción de los neutrones con sus materiales; y por otro, en la radiación y las partículas cargadas que inciden directamente sobre su superficie frontal. Esto da lugar a un flujo térmico altamente irregular, lo que dificulta el diseño de un sistema de enfriamiento eficaz. El uso de un enfoque conservador, con caudales uniformes en todos los canales, compromete tanto la eficiencia térmica del sistema como la potencia de recirculación.
Teniendo en cuenta que el sistema de refrigeración de la FW debe extraer cerca de un tercio de la potencia térmica total del BB, se ha creado la herramienta TOMFLOW (Tool for the Optimization of helium Mass FLOW rate distribution). Programada en MATLAB, esta herramienta permite determinar el caudal mínimo por canal con una confianza estadística superior al 99 %, garantizando así el cumplimiento de las restricciones térmicas de los materiales estructurales. TOMFLOW analiza cómo se distribuye el flujo térmico en un blanket, considerando direcciones poloidal y toroidal. Utiliza modelos en transferencia de calor 2D para calcular la evolución térmica del helio y la temperatura máxima en la interfaz EUROFER-tungsteno. Un proceso iterativo ajusta localmente el caudal en cada canal hasta que todos cumplen con la restricción térmica del Eurofer. El código ha sido aplicado en el segmento central exterior de la BB, permitiendo obtener una reducción del 14.8 % en el caudal total de helio y un aumento de la eficiencia térmica del sistema, evidenciado por un incremento del 4.14 % en la temperatura de salida del helio. Estos resultados han sido validados mediante análisis de elementos finitos, confirmando la precisión del modelo en la estimación del comportamiento térmico del sistema.
La distribución de caudal másico obtenida mediante TOMFLOW parte del supuesto de que cada canal es alimentado de forma independiente, una condición que no representa con exactitud el comportamiento real del sistema. Para superar esta limitación, se ha desarrollado una metodología que permite alcanzar la distribución de flujo adecuada en los canales considerando toda la red hidráulica de la primera pared, incluyendo tanto los colectores de alimentación y recogida como los canales individuales. Esta metodología se basa en un proceso de optimización implementado en MATLAB mediante algoritmos genéticos, integrando una función personalizada basada en el método del gradiente para evaluar el comportamiento hidráulico de la red. Se han explorado diversos escenarios de optimización ajustando parámetros geométricos clave como el diámetro hidráulico y la rugosidad superficial. Los resultados muestran que la configuración más eficiente se obtiene cuando tanto el diámetro hidráulico como la rugosidad se ajustan de manera individual para cada rama de la red. No obstante, este nivel de personalización puede resultar poco viable desde el punto de vista de fabricación. Aun así, la metodología desarrollada ha demostrado ser altamente flexible y aplicable, ofreciendo una herramienta robusta para la optimización de redes hidráulicas complejas.
A diferencia de los tokamaks, los estudios sobre el diseño del blanket para stellarators son muy limitados. La no-axisimetría, la complejidad geométrica tridimensional y el gran tamaño de los modelos dificultan la aplicación directa de herramientas existentes. En esta tesis se ha desarrollado un diseño DCLL específico para HELIAS, basado en una segmentación “cuasi-toroidal”, en la que las rutas de refrigeración del PbLi siguen las líneas del campo magnético, lo que permite mitigar las caídas de presión asociadas a los efectos magnetohidrodinámicos. Para abordar la complejidad del modelo, se han llevado a cabo diversas actividades orientadas a automatizar la generación geométrica mediante scripts personalizados en VBA para CATIA, lo que permite crear modelos de forma eficiente y a distintos niveles de detalle. Esto ha facilitado la realización de análisis termo-hidráulicos preliminares para estimar las necesidades de refrigeración en cada segmento.
Otro desafío importante para el BB en HELIAS proviene de la complejidad del mantenimiento remoto y de los requisitos de fabricación de los componentes expuestos al plasma, debido a las superficies irregulares de la FW y al espacio limitado entre las bobinas para las operaciones de mantenimiento remoto. Esta tesis propone y modela una solución innovadora: una FW desacoplada basada en un sistema de capilares porosos (Capillary Porous System (CPS)) con litio como material expuesto al plasma. En este contexto, se han desarrollado y evaluado distintas configuraciones explorando opciones refrigeradas por helio y por litio. Para analizar la viabilidad tecnológica de estos diseños, se han empleado modelos numéricos basados en elementos finitos, incluyendo estudios paramétricos para estudiar los principales parámetros termo-hidráulicos y análisis termomecánicos para validar el comportamiento estructural bajo condiciones operativas. Cabe destacar que estos estudios se han apoyado en procedimientos automatizados mediante scripts en Python y APDL, optimizando el proceso de diseño y análisis. Los resultados indican que la configuración refrigerada por litio ofrece el rendimiento térmico más favorable. Adicionalmente, se han llevado a cabo estudios teóricos de capilaridad, acompañados de simulaciones CFD en Ansys para estudiar el fenómeno de renovación del metal líquido sobre la superficie del CPS.
El trabajo desarrollado representa uno de los primeros desarrollos de ingeniería orientados específicamente a este tipo de configuración, acompañado de un conjunto de herramientas automatizadas para generación geométrica, análisis multifísico y extracción de parámetros aplicables a diferentes diseños de reactores.
Descripción
Categorías UNESCO
Palabras clave
Citación
Noguerón Valiente, José Ángel (2025). Design of advanced breeding blankets for fusion reactors. [Tesis doctoral, Universidad Nacional de Educación a Distancia (España)]
Centro
Escuela Internacional de Doctorado
Departamento
Grupo de investigación
Grupo de innovación
Programa de doctorado
Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales