Progettazione di un sistema di raffreddamento del reattore a fusione nucleare

SERVIZIO MERCATO CLIENTE Fusion for Energy (F4E) ANNO 2018-2019 in corso

Brief cliente

Progettare il sistema di raffreddamento del sottosistema Electron Cyclotron Upper Launcher del reattore a fusione nucleare ITER e validarlo in accordo ai codici costruttivi applicabili (ASME B31.3), tenendo in considerazione tutte le condizioni di carico associate alla condizioni di normale funzionamento ed agli scenari incidentali e accidentali postulati.

Sfide di progetto

  • Progettazione di un Pressure Equipment utilizzato in una installazione nucleare, in accordo alle Direttive Europee ed alla normativa Francese.
  • 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 dei componenti del sistema mediante l’applicazione dei codici di costruzione applicabili.

Soluzione

  • È stata realizzata la progettazione idraulica del circuito di raffreddamento e sono stati sviluppati i relativi Piping and Instrumentation Diagram e Process Flow Diagram.
  • È stata realizzata la progettazione di dettaglio della porzione di circuito che realizza il primo confinamento del refrigerante (modello 3D e drawings).
  • Sono state sviluppate simulazioni fluidodinamiche (CFD) del flusso del refrigerante all’interno del circuito al fine di valutare le perdite di carico e le distribuzioni di velocità.
  • Sono state sviluppate simulazioni termo-strutturali mediante modelli agli elementi finiti (FEM) della porzione di circuito che realizza il primo confinamento del refrigerante sottoposta a carichi dinamici di natura sismica.
  • È stato sviluppato un modello idraulico (1D) del circuito di raffreddamento, al fine di verificare l‘adeguatezza della architettura proposta rispetto ai requisiti applicabili (portata disponibile, temperatura di ingresso e massima temperatura di uscita, massima perdita di carico complessiva, minima portata da fornire a ciascun componente, massima perdita di carico introdotta da ciascun componente).
  • I risultati delle analisi (distribuzioni di stress e spostamento) sono stati utilizzati al fine di verificare l’integrità strutturale dei componenti del circuito, mediante le regole definite dai codici di costruzione applicabili.

 

CFD: Computational fluid dynamics

FEM: Finite Element Method.

Fasi di esecuzione

FASE 1

Progettazione idraulica del circuito di raffreddamento.

FASE 2

Progettazione di dettaglio della porzione di circuito che realizza il primo confinamento del refrigerante (modello 3D e drawings).

FASE 3

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 4

Esecuzione delle analisi.

FASE 5

Sviluppo del modello idraulico del circuito di raffreddamento.

FASE 6

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

Risultati ottenuti

La progettazione è stata realizzata mediante CATIA V5 e ENOVIA V6 (3D model e drawings).

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

 

First mode of vibration

 

Second mode of vibration

 

Third mode of vibration

 

Steady-State thermal analyses

 

Static structural analyses

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