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EC UL Engineering Analysis and Stress Assessment del reattore a fusione ITER

SERVIZIO MERCATO CLIENTE FUSION FOR ENERGY (F4E) ANNO 201-2019 in corso

Brief cliente

Validare il progetto del Electron Cyclotron Upper Launcher Port Plug del reattore a fusione ITER in preparazione alla Final design review, in accordo ai codici costruttivi nucleari applicabili (RCC-MR), tenendo in considerazione tutte le condizioni di carico associate alla condizioni di normale funzionamento ed agli scenari incidentali e accidentali postulati.

Sfide di progetto

  • Complessità della geometria della Port Plug e conseguente dei modelli numerici.
  • Eterogeneità delle condizioni di carico, da considerare singolarmente ed in combinazione, in accordo agli senari di riferimento.
  • Necessità di simulazioni MultiFisica per l’analisi termo-strutturale della Port-plug sotto l’azione dei carichi termici, meccanici ed elettromagnetici applicabili.
  • Verifica dell’integrità strutturale della Port Plug mediante l’applicazione di codici di costruzione di equipment per installazioni nucleari.
  • Supporto continuo alla progettazione della Port Plug, mediante successive iterazioni di analisi.

Soluzione

  • Sono state sviluppate simulazioni elettromagnetiche transienti volte a calcolare le correnti indotte dagli eventi di disrupzione del plasma e le conseguenti forze di Lorentz agenti sulle strutture metalliche.
  • Sono state sviluppate di simulazioni fluidodinamiche (CFD) del flusso di refrigerante all’interno del circuito di raffreddamento al fine di valutare le perdite di carico e le distribuzioni di velocità.
  • Sono state sviluppate simulazioni termo-fluidodinamiche (CFD) al fine di valutare la distribuzione di temperatura dovuta alle sorgenti termiche applicabili: irraggiamento dal plasma, “stray radiation” associato alla funzionalità del EC UL Port plug (iniezione di energia nel plasma) , flusso termico volumetrico da radiazione nucleare, e fluido di raffreddamento. Le analisi termo-fluidodinamiche sono state effettuate considerando il problema accoppiato di scambio termico solido-fluido (Conjugate heat transfer). La turbolenza è stata modellata utilizzando modelli di tipo RANS.
  • Sono state sviluppate simulazioni numeriche del comportamento strutturale della Port Plug sottoposta a carichi dinamici di natura sismica e dovuti alle instabilità del plasma mediante analisi strutturali statiche e transitorie. Le analisi modali e le analisi strutturali, statiche e dinamiche, sono state effettuate mediante modelli agli elementi finiti (FEM) opportunamente sviluppati e validati.
  • I risultati delle analisi (distribuzioni di stress e spostamento) sono stati utilizzati al fine di verificare l’integrità strutturale del sistema, mediante le regole definite dai codici di costruzione per equipment nucleari (RCC-MR, ITER-SDC-IC).
  • Sulla base dei risultati ottenuti dalle analisi e dalle verifiche strutturali sono state proposte specifiche modifiche da apportare al progetto della Port Plug.
  • CFD: Computational fluid dynamics
  • FEM: Finite Element Method

Fasi di esecuzione

FASE 1

Creazione del modello numerico per le analisi FEM e CFD: generazione della mesh di calcolo, imposizione delle condizioni di vincolo e delle condizioni di carico.

FASE 2

Esecuzione delle analisi.

FASE 3

Verifica dell’integrità strutturale (stress assessment) mediante l’applicazione delle regole definite dai codici di costruzione.

FASE 4

Proposte di modifica al progetto della Port plug (se necessarie).

Risultati ottenuti

Le simulazioni numeriche sono state eseguite con ANSYS Workbench 18.2, ANSYS Mechanical 18.2, ANSYS CFD 18.2 e ANSYS EMAG.

Finite Element Mesh

 

Boundary and loading conditions

 

Modal analysis

 

PF and CD current directions

 

Currents during VDE III event

 

Pressure drops assessment

 

Fluid velocity

 

Stress assessment

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