Caracterización de las propiedades de la especie iónica mayoritaria para la optimizacíon de futuras plantas de potencia basadas en la fusion nuclear

• Autores: Pilar Cano Megías
• Directores de la Tesis: Ricardo Chacartegui Ramírez (dir. tes.), Eleonora Viezzer (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Sevilla ( España ) en 2022
• Idioma: español
• Número de páginas: 184
• Títulos paralelos:
  • Characterization of main ion properties for the optimization of future fusion power plants
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Idus
• Resumen
  • español

    La fusión nuclear se presenta como una de las grandes opciones tecnológicas para cubrir de manera limpia y sostenible la demanda energética. Sin embargo, lograr la producción de energía en una planta de potencia basada en la fusión nuclear en la Tierra enfrenta importantes desafíos tecnológicos y físicos. Esta tesis es un proyecto multidisciplinar que aborda la optimización de futuros reactores de fusión desde una perspectiva de ingeniería y física del plasma. Desde la perspectiva de la física del plasma, el rendimiento de los futuros reactores de fusión depende de las propiedades del plasma, el combustible de fusión. Las propiedades de la especie iónica mayoritaria (en los dispositivos experimentales actuales, el deuterio) son particularmente importantes ya que determinan la energía producida por la fusión nuclear, que a su vez establece la producción de electricidad. Tradicionalmente, las propiedades del deuterio no se miden de manera directa en reactores experimentales, sino que son inferidas a partir de las propiedades de otras especies iónicas minoritarias (impurezas) y modelos teóricos. En esta tesis, se ha establecido un nuevo método de diagnóstico que permite la caracterización experimental directa de la temperatura y la velocidad de rotación toroidal del deuterio en el borde del plasma. El borde del plasma es una región crítica, ya que prescribe las condiciones de contorno que determinan el desempeño global del plasma y que deben ser compatibles con estrategias de disipación de calor que garanticen la integridad del reactor de fusión. Los diagnósticos de borde de plasma son exigentes en términos de resolución espacial y temporal, ya que necesitan resolver eventos transitorios rápidos y fuertes gradientes espaciales. Desde la perspectiva de la ingeniería, se ha estudiado y optimizado la eficiencia del ciclo de potencia acoplado a un reactor de fusión, maximizando la producción de energía eléctrica. Igualmente, se han investigado esquemas de cogeneración como oportunidades para aumentar la eficiencia de las futuras plantas de potencia de fusión. En esta tesis, se ha instalado y explotado un nuevo sistema de diagnóstico para la especie iónica mayoritaria (deuterio) basado en técnicas de espectroscopía de recombinación de intercambio de carga en el reactor experimental ASDEX Upgrade, un dispositivo con pared metálica. Se ha instalado una nueva cabeza óptica, que cubre el borde del plasma con una resolución de hasta 3 mm. Se ha desarrollado un modelo, basado en el código de Monte Carlo implementado en fidasim, y herramientas de análisis de datos para la interpretación precisa de los espectros de deuterio. Estas constituyen las primeras medidas de temperatura y velocidad de rotación toroidal de deuterio en el borde del plasma en un ambiente de tungsteno, relevante para futuros reactores de fusión y están en el estado del arte de las técnicas de diagnóstico en plasmas de fusión por confinamiento magnético. Se han ejecutado experimentos en el reactor ASDEX Upgrade para caracterizar las propiedades del deuterio en una variedad de condiciones del plasma. En concreto, se ha estudiado el impacto de la colisionalidad del plasma y del esquema de calentamiento en la temperatura y velocidad de rotación toroidal del deuterio. La temperatura del deuterio se ha comparado con medidas de temperatura de los electrones e impurezas, mientras que las medidas de la velocidad de rotación toroidal se han comparado con la teoría neoclásica de transporte. Se han documentado las propiedades del deuterio en regímenes de alto y bajo confinamiento, como el modo H (H-mode, del inglés high confinement mode), el modo L (L-mode, del inglés low confinement mode), el modo I (I-mode, del inglés improved energy confinement mode) y el modo QH (QH-mode, del inglés quiescent high confinement mode). Se ha obtenido que asumir que la temperatura del deuterio es igual a la temperatura de las impurezas no es siempre una aproximación adecuada. El equilibrio térmico entre el deuterio y las impurezas es una función compleja del esquema de calentamiento y la colisionalidad. En el modo H, la velocidad de rotación toroidal del deuterio concuerda con la teoría neoclásica en la región del borde del plasma con altos gradientes, que es una región de baja turbulencia. El análisis detallado de las propiedades del deuterio en el borde del plasma es esencial para comprender la naturaleza de los mecanismos de transporte en dispositivos experimentales actuales y, en consecuencia, para la optimización y el éxito de las futuras plantas de potencia de fusión. La integración de un conjunto de ciclos de potencia Rankine y Brayton con un reactor de fusión se ha estudiado en un marco que combina el código de sistemas process y el engineering equation solver. El reactor de fusión está basado en el diseño conceptual European DEMO Baseline 2018, que establece las condiciones de contorno para la temperatura y potencia en las fuentes de calor. En el rango de temperatura intermedia previsto para el DEMO Baseline 2018, los ciclos de potencia supercríticos de dióxido de carbono constituyen una tecnología muy atractiva. La cogeneración de electricidad y calor se ha estudiado como una estrategia para maximizar la eficiencia de futuros dispositivos de fusión. El uso de redes de calefacción urbana para la recuperación de calor a baja temperatura resulta en mejoras de la eficiencia para todos los ciclos de producción de potencia. Se ha definido el parámetro coste nivelado de la producción híbrida como indicador de la viabilidad económica de la cogeneración, y considera los costes de la planta de fusión estimados con process y los costes de distribución y producción. Los sistemas híbridos basados en ciclos Rankine de vapor y Brayton supercríticos de dióxido de carbono son factibles desde un punto de vista económico. Un importante valor añadido de este trabajo es que amplía las posibles aplicaciones de la energía de fusión y su penetración en el mercado energético.

  • English

    In the search for a clean and sustainable energy source for our society, fusion energy emerges as a promising candidate. The realization of a fusion power plant on Earth faces important technological and physical challenges. This thesis is a multidisciplinary project that addresses the optimization of future fusion devices from a plasma physics and engineering perspective. From the plasma physics perspective, the performance of future fusion reactors depends on the properties of the plasma, the fusion fuel. The main ion properties (in present experimental devices, deuterium) are particularly important as they determine the fusion power, which sets the electricity production. Traditionally, the main ions have been rarely diagnosed and their properties have typically been inferred from minority impurity measurements and theoretical models. In this thesis, a novel diagnostic method has been established that enables the direct experimental measurement of the main ions with a focus on the plasma edge. The plasma edge is a critical region, as it prescribes the boundary conditions for the plasma core performance, while it must enable a heat exhaust solution that limits the power loads to the plasma facing components, keeping the integrity of the fusion reactor. Plasma edge diagnostics are demanding in terms of spatial and temporal resolution, as they need to resolve fast transient events and strong spatial gradients. From an engineering perspective, the efficiency of the power conversion cycle coupled to a fusion reactor has been studied and optimized to maximize the electric power output. Cogeneration schemes as opportunities for boosting the efficiency of future fusion power plants have also been investigated. In the framework of this thesis, a new edge main ion diagnostic based on the Charge Exchange Recombination Spectroscopy technique has been installed and exploited at the ASDEX Upgrade experimental reactor, a full metal wall device, to provide main ion temperature and toroidal rotation velocity measurements. A new in-vessel optical head has been installed, which covers the outermost plasma region with a resolution down to 3 mm. A forward model, based on the collisional radiative model implemented in the fidasim code, and data analysis tools have been developed to enable an accurate interpretation of the main ion data. These are state-of-the-art measurements of edge deuterium temperature and toroidal rotation profiles in a tungsten environment, which resembles conditions relevant for future fusion reactors. Several experiments have been carried out at the ASDEX Upgrade tokamak to characterize the main ion temperature and toroidal rotation in a variety of plasma conditions. The role of plasma collisionality and heating scheme on the main ion temperature and toroidal rotation has been addressed. The main ion properties have been compared to minority impurity ion and electron measurements and serve as a testbed for theoretical transport models. In particular, the measurements are compared against neoclassical transport theory. The main ion properties in high and low confinement regimes, such as the high confinement mode (H-mode), low confinement mode (L-mode), improved energy confinement mode (I-mode) and quiescent high confinement mode (QH-mode), have been documented. It has been found that the impurity ion temperature does not always give a good description of the main ion properties, and the thermal equilibration between main and impurity ions is a complex function of heating scheme and collisionality. In H-mode, the main ion toroidal rotation is in remarkably good agreement with neoclassical theory in the steep gradient region of the plasma edge. The detailed diagnosis of the edge plasma properties is essential for understanding plasmas in present experimental devices, and consequently, for the projection towards future fusion power plants and their optimization. The integration of a portfolio of Rankine and Brayton power conversion cycles with a fusion reactor has been studied in a framework that couples the engineering equation solver and the process systems code. The fusion reactor is based on the European DEMO Baseline 2018, which sets the temperature and power boundary conditions. In the intermediate temperature range envisaged for the EU-DEMO Baseline 2018, supercritical carbon dioxide power conversion cycles constitute a very attractive technology. Nuclear fusion cogeneration of heat and electricity has been put forward as a strategy for boosting the efficiency of future fusion devices. The use of district heating networks for the recovery of low-grade heat yields efficiency improvements for all power cycle layouts. The economic viability has been studied by the definition of the levelized cost of hybrid production, which is an indicator that integrates cost estimates from process and production and distribution costs. The cogeneration scheme is feasible from an economic point of view for Rankine and supercritical carbon dioxide power cycles. This work expands potential fusion energy applications and its deployment in the energy market.