Análisis de sistemas de conversión de potencia en reactores nucleares de fusión con envolturas regeneradoras de doble refrigerante

Resum

Los desarrollos tecnológicos necesarios para un futuro reactor de fusión (DEMO) vienen impulsados en España por el programa TECNO_FUS (CSD2008-0079). Dicho programa tiene por finalidad desarrollar la tecnología necesaria para la envoltura regeneradora y los sistemas auxiliares de una planta de producción de energía eléctrica a partir de un reactor nuclear de fusión, dentro de la convocatoria nacional CONSOLIDER-INGENIO 2010. En dicho programa es donde se enmarca la subtarea 5.3. Conversión de potencia. La presente Tesis Doctoral comprende el análisis y propuesta del bloque de potencia para la conversión de la energía térmica del reactor en energía eléctrica. El primer paso se centra en el estudio de diferentes ciclos termodinámicos, para observar cuál es el que mejores rendimientos obtiene. Una vez escogido el ciclo óptimo se pasa al diseño de los intercambiadores de calor que forman parte de dicha instalación, ya que debido a su gran tamaño y el comportamiento de los fluidos de trabajo, es necesario un estudio en profundidad de este tipo de elementos. Los ciclos Rankine son el primer tipo de ciclos que se estudian. Pero estos han sido desechados debido a que el agua se puede contaminar con tritio y su limpieza posterior es complicada. Por ello sólo han sido planteados como ciclos auxiliares (combinados o duales). El segundo tipo de ciclos de potencia que se estudian son de tipo Brayton y utilizan helio como fluido de trabajo. Pero también son desechados debido a que al no ser la temperatura elevada los rendimientos se ven limitados. Así se llega al tercer tipo de ciclos estudiados, los ciclos Brayton que utilizan CO2 supercrítico como fluido de trabajo. Este tipo de ciclos alcanzan buenos rendimientos cuando las temperaturas son intermedias (400-800ºC), por lo que son idóneos para los reactores nucleares de fusión. Se han estudiado diferentes tipos: básicos, combinados, duales¿ alcanzando el mejor comportamiento los ciclos combinados. Pero debido a la utilización de agua y la complejidad de la estructura necesaria, estos también han sido descartados. Uno de los logros de la tesis ha sido el planteamiento de dos variantes del ciclo de recompresión con CO2 supercrítico, denominadas REC2 y REC3, que permiten alcanzar rendimientos similares a los del ciclo combinado pero con un nivel de complejidad de la planta mucho menor. De esta forma, y debido a su menor complejidad y mayor rendimiento, el ciclo REC2 es propuesto como el óptimo de esta Tesis. Ya escogido el ciclo óptimo, la siguiente fase se centra en el dimensionamiento de sus intercambiadores de calor. Así se estudian diferentes clases de intercambiadores escogiéndose los llamados PCHE como los idóneos para este tipo de ciclos termodinámicos. El diseño se divide en dos fases: la primera se centra en el estudio del intercambiador realizando una división nodal de este, mientras que la segunda fase se enfoca a verificar los resultados obtenidos en la primera realizando simulaciones mediante CFD.