ANALISI STRUTTURALI DEL DIVERTORE DEL REATTORE A FUSIONE NUCLEARE “DEMO”

La fusione nucleare è la reazione in cui due o più nuclei atomici si fondono per formare un nucleo più pesante. I nuclei degli atomi di idrogeno collidono e si fondono per formare nuclei di atomi di elio, rilasciando grandi quantità di energia durante la reazione. La fusione nucleare avviene nel Sole, dove il nucleo raggiunge una temperatura estrema di 15 milioni di gradi Celsius, consentendo all’idrogeno di trasformarsi in plasma.

Per sostenere la fusione sulla Terra, viene utilizzato un metodo di confinamento magnetico per confinare il plasma a una temperatura di 150 milioni di gradi Celsius. Il dispositivo progettato a questo scopo è il Tokamak, una camera toroidale dotata di bobine magnetiche che generano un potente campo di contenimento. Il Tokamak più grande attualmente in funzione è il Joint European Torus (JET), mentre l’ITER, un altro Tokamak, è attualmente in fase di costruzione.

La DEMOnstration Fusion Power Plant (DEMO) sarà il successore dell’ITER e fungerà da reattore sperimentale a fusione con l’obiettivo di dimostrare la produzione netta di elettricità dalla fusione nucleare. La progettazione della DEMO è stata avviata dal consorzio EUROfusion nell’ambito della roadmap dell’UE sulla fusione del programma Horizon 2020 (https://euro-fusion.org/programme/demo/).

Il divertore è uno dei principali componenti interni al contenitore DEMO tra tutti i componenti esposti al plasma e può essere considerato forse il più critico [1]. Il divertore DEMO estrarrà l’energia delle particelle alfa, l’elio e le impurità, ma anche il carico termico proveniente dallo strato di “scrape-off” del plasma durante il normale funzionamento e durante gli eventi anomali previsti [2]. Il divertore è costituito da diverse parti, le principali delle quali sono: la cassetta, il rivestimento di schermatura, i bersagli verticali, le piastre riflettenti e i tubi di raffreddamento.

Essendo un componente sottoposto a carichi elevati, la risposta strutturale del divertore deve essere valutata con la massima precisione al fine di garantire il funzionamento sicuro della macchina.

Va notato che la progettazione e lo studio del divertore DEMO sono in corso e, di conseguenza, la configurazione finale potrebbe essere soggetta a modifiche.

Il divertore è soggetto a eventi di spostamento verticale (VDEs) che inducono carichi elettromagnetici (EM) dovuti ad anomalie che possono verificarsi durante il funzionamento. I VDEs inducono carichi EM transitori con distribuzioni spaziali specifiche che possono essere analizzate mediante analisi dinamiche FEM, richiedendo quindi notevoli sforzi computazionali [3-4]. Inoltre, il dispositivo, in condizioni di funzionamento normale, è soggetto a carichi gravitazionali, pressione per il raffreddamento interno, carichi termici, carichi ferromagnetici e un precarico.

La ricerca mirava a implementare una metodologia basata su principi teorici per calcolare il cosiddetto fattore di amplificazione dinamica (DAF). In particolare, tale metodologia porta alla stima della risposta dinamica massima utilizzando analisi numeriche meno impegnative, ovvero analisi statiche “equivalenti”, queste ultime considerando valori di deformazione e sollecitazione paragonabili a quelli dinamici massimi [5-9]. Ciò consente una progettazione più rapida, ottimizzazioni e calcoli di previsione della durata [10-12]. I calcoli vengono eseguiti con Ansys Workbench e Ansys Mechanical [13].

 

MODELLO NUMERICO E CONDIZIONI DI CARICO

Il modello 3D del divertore viene continuamente aggiornato durante la fase di progettazione al fine di migliorarne progressivamente le caratteristiche. Tuttavia, le analisi e le ricerche in corso si riferiscono al modello CAD attuale e più recente (versione 2022 [14]).

La cassetta del divertore è realizzata in EUROFER [15] e riempita internamente con un refrigerante, ovvero acqua a una pressione di 35 bar. La cassetta è sostenuta alle due estremità, con due giunti sferici sul lato anteriore e con un braccio oscillante sull’altro lato (in particolare, un giunto rotante tra il braccio oscillante e il suolo).

Durante la sua vita utile, il divertore può essere sottoposto a carichi diversi a causa di condizioni diverse. In condizioni operative normali, il divertore è sottoposto a:

– Carico ferromagnetico: carichi meccanici prodotti dagli effetti ferromagnetici sui materiali magnetici;

– Gravità terrestre;

– Pressione per il raffreddamento interno: pressione dovuta alla presenza di acqua di raffreddamento interna pressurizzata – sistema di raffreddamento del divertore DEMO;

– Carico termico;

– Precarico del braccio oscillante: precarico lungo la direzione radiale (naso-braccio oscillante) per mantenere la struttura in posizione durante il funzionamento.

Il divertore può essere soggetto a carichi elettromagnetici (EM) oltre ai normali carichi. I carichi EM comportano forze meccaniche causate dalle interazioni tra correnti indotte e campi magnetici. In particolare, il divertore può subire un carico elettromagnetico impulsivo in caso di malfunzionamento, ovvero a causa della potenziale instabilità del plasma. Questo carico presenta una significativa variabilità spaziale e temporale ed è stato calcolato attraverso simulazioni EM FEM dedicate [3].

Per migliorare la visualizzazione dei carichi elettromagnetici (EM), è stato sviluppato uno strumento MATLAB dedicato. Questo strumento consente agli utenti di visualizzare la distribuzione spaziale dei carichi EM sul divertore, nonché di tracciare l’evoluzione temporale del carico risultante, compreso il corrispondente punto di applicazione.

 

ANALISI E RISULTATI

La ricerca è stata suddivisa in diverse fasi che hanno comportato l’analisi di modelli sempre più complessi sottoposti a diverse condizioni di carico, considerando sia l’analisi statica che quella dinamica.

Sono state effettuate analisi modali al fine di calcolare le forme modali e le frequenze naturali del sistema. Inoltre, l’analisi modale è utile per studiare i potenziali accoppiamenti tra i carichi armonici EM e il comportamento modale del sistema. I risultati hanno mostrato che il 90% della massa di partecipazione cumulativa viene raggiunta intorno alla 12a forma modale.

Using the Transient Structural tool in Ansys, three Dynamic analyses (2%, 4% and 6% damping ratio) and a Quasi-Static analysis were carried out.

Per valutare l’effetto dinamico sugli spostamenti, sulle reazioni e sulle sollecitazioni, è possibile valutare un fattore di amplificazione dinamica locale per ciascun nodo del modello. Nel caso degli spostamenti e dello stato di sollecitazione, ciò è stato fatto in Matlab dividendo il valore ottenuto dalle analisi dinamiche per il valore dello stesso nodo dell’analisi quasi statica. In questo modo è possibile tracciare una mappa tridimensionale del DAF per ciascun valore di smorzamento.

Nel caso degli spostamenti, l’aumento dello smorzamento comporta una diminuzione del DAF in entrambe le configurazioni. Inoltre, si osserva un aumento dei valori DAF per lo stesso valore di smorzamento quando si confrontano le configurazioni 1 e 2. Tuttavia, è possibile identificare la zona più amplificata dinamicamente, che è la zona del braccio oscillante e la parte verticale della cassetta ad esso collegata.

Nel caso dello stato di stress, i risultati illustrano diverse regioni in cui si osserva un’amplificazione sostanziale. In particolare, l’aumento dello smorzamento comporta una riduzione dell’estensione e dell’intensità DAF in queste zone.

Nel caso delle reazioni del muso e del braccio trasversale, il DAF è stato definito come il rapporto tra il massimo della reazione risultante dall’analisi dinamica e il valore massimo della stessa reazione nell’analisi quasi statica.

 

CONCLUSIONI

L’analisi modale ha dimostrato che una configurazione “più completa” del divertore lo pone in condizioni peggiori, poiché le frequenze naturali delle sue modalità di vibrazione diminuiscono.

I risultati delle analisi dinamiche hanno dimostrato quanto sia fondamentale analizzare il modello completo del divertore con tutti i suoi componenti, poiché la variazione dei risultati e dei valori DAF è rilevante. Inoltre, è stato possibile valutare che sul divertore è possibile definire zone che sono più amplificate dinamicamente e che diventano più evidenti con l’aumento degli effetti dinamici. Il passo successivo prevede la conclusione dell’analisi sul modello complessivo e lo sviluppo di nuove analisi sul modello aggiornato (versione 2024).

Per ulteriori informazioni, si rimanda a [16-17].

 

BIBLIOGRAFIA

[1] Mazzone, G., et al.: Eurofusion-DEMO Divertor – Cassette Design and Integration, Fusion Engineering and Design, 157, 111656 (2020).

[2] You, J.-H., et al.: Divertor of the European DEMO: Engineering and technologies for power exhaust, Fusion Engineering and Design, 175, 113010 (2022).

[3] Maffucci, A.: Electromagnetic Analysis for Divertor Assembly 2022, DIV-DEMO.S.1-T014-D001, Deliverable: EFDA_D_2Q43ZK.

[4] Frosi, P., Mazzone, G., You, J.-H.: Structural design of DEMO Divertor Cassette Body: provisional FEM analysis and introductive application of RCC-MRx design rules, Fusion Engineering and Design, 109-111(A), 47-51 (2016).

[5] Zhang, K., Mantel, N., You, J.-H.: Dynamic structural response of DEMO divertor under electromagnetic loading, Fusion Engineering and Design, 187 113375 (2023).

[6] Kim, H.-G., Kim, E. and Cho, M.: Transformation of Dynamic Loads into Equivalent Static Load based on the Stress Constraint Conditions, Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea. 26(2), 165-171 (2013).

[7] Chen, X., Kareem, A.: Equivalent Static Wind Loads on Buildings: New Model, Journal of Structural Engineering 130(10) (2004).

[8] Chopra, A.K.: Dynamics of structures – theory and applications to earthquake engineering. 4th edn. Pearson, Berkeley (2016).

[9] Clough, R.W., Penzien, J.: Dynamics of Structures, 2nd edn., McGraw-Hill, New York (1993).

[10] Giannella, V., Fellinger, J., Perrella, M., Citarella, R.: Fatigue life assessment in lateral support element of a magnet for nuclear fusion experiment “Wendelstein 7-X”, Eng Fract Mech, 178, 243-257 (2017).

[11] Fellinger, J., Citarella, R., Giannella, V., Lepore, M., Sepe, R., Czerwinski, M., Herold, F., Stadler, R., the W7-X Team: Fusion Eng. Des., 136, 292-297 (2018).

[12] Giannella, V., Citarella, R., Fellinger, J., Esposito, R.: LCF assessment on heat shield components of nuclear fusion experiment “Wendelstein 7-X” by critical plane criteria, Procedia Struct Integr, 8, 318-331 (2018).

[13] De Salvo, G.J., Swanson, J.A.: ANSYS Engineering Analysis System User’s Manual. Houston, Pa.: Swanson Analysis Systems (1985).

[14] Marzullo, D.: CAD Design – 2nd phase -2019, DIV-1-T006-D004, Deliverable: EFDA_D_2NL4LT.

[15] Mergia, K., Boukos, N.: Structural, thermal, electrical and magnetic properties of Eurofer 97 steel, Journal of Nuclear Materials, 373, 1-8 (2008).

[16] Petti, L., Cricrì, G., Zollo, A., Giannella, V., Mantel, N., You, J. H., & Citarella, R. (2023, September). Structural Response of DEMO Divertor Under Electromagnetic Loading. In International Conference of the Italian Association of Design Methods and Tools for Industrial Engineering (pp. 271-278). Cham: Springer Nature Switzerland.

[17] Petti, L., Lombardi, L., Cricrì, G., Mantel, N., You, J. H., & Citarella, R. (2025). Assessment of dynamic response of a DEMO divertor under electromagnetic impact loads. Part 1: A computational methodology for a cost-effective analysis. Fusion Engineering and Design, 211, 114809.