Desing of an experimental facility for Tritium extraction from eutectic Lead-Lithium

Resumen

Esta Tesis se ha centrado en el problema asociado a la recuperación de tritio para la operación de reactores de fusión de un modo auto-sostenible. Como base, se ha seleccionado un reactor DEMO operado con un breeding blanket DCLL (Dual Coolant Lithium Lead) que utiliza la aleación eutéctica PbLi como regenerador de tritio, multiplicador de neutrones y refrigerante principal. Uno de los sistemas más importantes del reactor es el Sistema de Extracción y Recuperación de Tritio (TERS, de sus siglas en inglés), que se encarga de extraer el tritio generado para enviarlo a la Planta de Tritio y posteriormente ser reinyectado en el plasma para cerrar el ciclo. La opción seleccionada como tecnología de extracción de tritio para blankets basados en metal líquido es la permeación contra vacío (Permeation Against Vacuum, PAV). Dado que no hay resultados experimentales que validen la aplicabilidad de esta técnica, el objetivo principal de esta Tesis es el diseño de una instalación experimental capaz de demostrar la viabilidad de la tecnología PAV como sistema de extracción de isótopos de hidrógeno. Dicha instalación consiste en un circuito cerrado de metal líquido que lleva asociados una serie de componentes necesarios para dar soporte a la actividad, fundamentalmente un extractor (PAV) y un sistema de inyección de gas. El circuito, CLIPPER, se ha diseñado de acuerdo a los parámetros de operación del breeding blanket y su TERS, para así obtener unos resultados relevantes y extrapolables a DEMO. Por tanto, el primer paso de este trabajo se ha centrado en el diseño del TERS - DCLL, necesario para definir los parámetros de operación sobre los que diseñar y escalar la instalación experimental. El componente básico del TERS es el PAV, por lo que se ha realizado una optimización de su diseño operando en condiciones de DCLL, y partiendo del desarrollo teórico de un modelo de transporte de tritio que relaciona los parámetros físicos y geométricos del permeador en términos de eficiencia. Dicho modelo depende de los materiales que se utilizan para el estudio por sus características de permeación y compatibilidad con el PbLi, así como de la temperatura de operación y caudal del metal líquido. Uno de los resultados más relevantes es que los parámetros con mayor influencia en la eficiencia del permeador son la longitud de la membrana y la altura del canal. Se ha encontrado que un aspecto crítico en el diseño es la incertidumbre en el valor de la solubilidad de tritio en PbLi, que se traduce en una alta dispersión en la eficiencia calculada. Finalmente, se presenta un diseño de PAV capaz de recuperar tritio con una eficiencia del 80% cuando opera en condiciones DCLL, y que es adaptable a las necesidades del reactor. La dispersión en el valor de la solubilidad tiene una segunda consecuencia, ya que afecta al rango de velocidad de bombeo del sistema de vacío del permeador dificultando la definición de la bomba más adecuada, y que podría condicionar el funcionamiento de la técnica. Además, se ha determinado que la velocidad de bombeo mínima necesaria es 150 m3/s y actualmente no hay bombas compatibles capaces de llegar a ese nivel. Por ello se ha propuesto un diseño adaptado de una bomba comercial que, aumentando su tamaño, cubre las necesidades descritas. Una vez establecidos los parámetros de referencia se han fijado las condiciones de trabajo del lazo experimental, que cubren un amplio rango de operación con el objetivo de caracterizar el comportamiento de PAV en diferentes condiciones de caudal, temperatura y presión parcial de hidrógeno. Dado que el manejo de tritio atañe una serie de riesgos debido a su radiactividad y requiere una serie de instalaciones especiales y dedicadas, los experimentos se llevarán a cabo utilizando dos isótopos de ese gas, deuterio e hidrógeno. Los resultados pueden ser posteriormente extrapolados a los esperados en un entorno de operación con tritio dada su similitud química. Dos de los elementos clave de la instalación, el PAV y el inyector de gas, no existen comercialmente. Es por ello que el diseño y desarrollo de prototipos ha centrado gran parte de la actividad de esta Tesis. Para el PAV se ha seleccionado vanadio como material de la membrana debido a su alta permeabilidad y compatibilidad con PbLi. El diseño final del permeador consiste en placas de vanadio soportadas en una estructura de acero inoxidable que proporciona un rango de eficiencias en el CLIPPER entre 21% y 39%. Se ha realizado una caracterización completa de la membrana de vanadio, cuyo primer resultado es un análisis químico que confirma una pureza del material del 99.86%. Posteriormente se ha llevado a cabo su caracterización mecánica para obtener diferentes parámetros necesarios para las simulaciones termomecánicas (módulo de elasticidad, coeficiente de expansión térmica, tensión de rotura y fluencia). Se ha medido también la permeabilidad al deuterio en dos laboratorios diferentes, obteniendo una buena concordancia aunque un valor distinto al encontrado en la literatura. También se ha determinado que la soldadura TIG entre acero inoxidable y la membrana de vanadio puede realizarse mostrando una buena compatibilidad en términos de estabilidad de los materiales. Finalmente se presenta la fabricación de todas las piezas del permeador para su ensamblaje final. Quedan pendientes los test a vacío que confirmen la estanqueidad del conjunto. Puesto que no se dispone de fuente neutrónica que pueda generar tritio en el seno del metal líquido, otro elemento clave en el circuito es el sistema de inyección de gas. Este dispositivo se encarga de asegurar la concentración deseada de hidrógeno o deuterio en el PbLi. En esta Tesis se presenta un enfoque novedoso basado en la permeación forzada. Sus principales ventajas respecto a otras técnicas empleadas en el campo (principalmente inyección de burbujas en el líquido) son una mejor solubilización del hidrógeno en el PbLi y una distribución uniforme del gas dentro del mismo. El diseño del inyector consiste en un conjunto de tubos de niobio, utilizados como membrana permeable, envueltos por una carcasa de acero que contiene el gas a inyectar. Para la optimización de este sistema se ha desarrollado un modelo teórico que simula los flujos de gas a través de la membrana, teniendo en cuenta el movimiento del fluido en el interior de los tubos. Se ha encontrado que la inyección se ve favorecida, principalmente, por la longitud de la membrana (al igual que en el caso del permeador) y por el número de tubos. Otro resultado importante es que para membranas con alta permeabilidad, el aumento en el radio del tubo dificulta el proceso, mientras que para membranas con baja permeabilidad, un aumento en este parámetro mejora la inyección. Finalmente, se presenta un diseño de inyector de gas que puede operar en el lazo de PbLi de acuerdo con sus parámetros operativos fijos. El inyector se basa en la aplicación de una alta presión de hidrógeno en el interior de la carcasa para forzar la permeación a través de los tubos, alcanzando un enorme gradiente en el espesor de la membrana. Gracias a esto, el área de membrana requerida para el sistema de inyección es mucho más bajo que la del sistema PAV para obtener el mismo flujo inyectado/extraído. Todo el trabajo desarrollado durante la presente Tesis se encuentra condensado en el diseño final de la instalación experimental CLIPPER. Además del desarrollo de los sistemas no comerciales, el diseño del lazo incluye todos los demás componentes necesarios para la operación del mismo (bomba, tanques, válvulas, sensores, etc.). Dado que el PbLi se puede oxidar rápidamente cuando es expuesto a la atmósfera, el proceso de fundido se lleva a cabo en un tanque externo al circuito que se encuentra en una caja de guantes con atmósfera inerte. Esto permite tomar muestras para analizar y eliminar las impurezas antes de llenar el lazo. Se ha realizado una evaluación termomecánica de CLIPPER con el objetivo de identificar deformaciones y tensiones excesivas en las tuberías y componentes del circuito. Se ha encontrado que, gracias al diseño propuesto, la mayoría de las tuberías estarán sometidas a un nivel de tensión relativamente bajo (1-30 MPa), siendo la deformación máxima a lo largo del circuito de unos 4 cm, por lo que la operación del lazo no se verá comprometida. Finalmente, se ha realizado una simulación preliminar sobre el inventario de hidrógeno en CLIPPER en distintos escenarios de operación, teniendo en cuenta los flujos de inyección y extracción en los distintos componentes. Para ello, el parámetro clave es la evolución de la concentración de hidrógeno con el tiempo. Teniendo en cuenta las condiciones de operación de un DCLL, se ha encontrado que se necesitan 2.5 h para alcanzar la concentración deseada en el lazo antes de encender el PAV. A partir de este momento se obtendría una eficiencia de extracción del 22%. Se concluye que el proceso de inyección se ve más afectado por la concentración de hidrógeno y el caudal másico de PbLi, mientras que la extracción depende en mayor medida de la temperatura. El cálculo de inventario se ha repetido en condiciones de operación representativas de otros dos tipos de breeding blankets, el HCLL (Helium Cooled Lithium Lead) y el WCLL (Water Cooled Lithium Lead), encontrando resultados similares pero con distintas eficiencias de extracción.