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Thermal and structural design issues of breeding blankets for testing in the Next European Torus (NET)

G. Casini1988年Fusion Engineering and DesignIF 1.7出版社

A review of the breeding blankets under study in Europe for testing in the Next European Torus is presented. In many concepts, the breeder modules are enclosed in boxes whose side walls in front of the plasma act as the first wall of the machine. Various types of breeder modules are investigated, involving both liquid and solid breeders, namely:-Pb17Li liquid breeder concepts, the coolant being either water or Pb17Li itself;-solid (ceramic) breeder concepts, the coolant being in all cases helium. The various ceramic concepts differ in the breeder/coolant arrangement (breeder-out-of-tube and breeder-in-tube), the orientation of the coolant tubes (poloidal or toroidal) and the breeder geometry (rods, plates or pebble bed).For each of these concepts the main design features are shown and the thermomechanical problems are discussed. The problems related to a coolant tube rupture are in many cases the most severe from the structural design point of view. The first wall box enclosing the breeder modules appears to be a weak secondary containment barrier.The liquid breeder-water cooled concept looks manageable from the thermal and structural design point of view. In the case of the self-cooled liquid breeder concept, the main problems are related to the magnetohydrodynamic effects. Solutions are envisaged to overcome these difficulties.In the case of ceramic breeders, the use of plates implies small dimensions in order to limit the thermal stresses and a poor exploitation of the permitted temperature operation window. Solutions involving rods associated with a multipass cooling scheme or pebble bed enable achievement of better thermomechanical conditions and, therefore, are preferred in the current investigations. However, they lead to design complications and require experimental verification which is in progress at the European laboratories.

日本語訳

欧州における核融合実験炉Next European Torusでの試験を目的として、欧州で研究開発が進められている増殖ブランケットのレビューを提示する。多くの設計概念において、増殖モジュールはボックス状の構造体に収容され、その側壁のうちプラズマに面する部分が第一壁として機能する。液体増殖材と固体増殖材の両方を対象とした多様な増殖モジュールが研究されており、具体的には以下の通りである:-液体増殖材としてPb17Liを用いる概念では、冷却材として水またはPb17Li自体が使用される;-固体(セラミック)増殖材を用いる概念では、冷却材は全ての場合においてヘリウムガスである。固体増殖材を用いる各概念は、増殖材と冷却材の配置(増殖材管外型および増殖材管内型)、冷却管の配向(ポロイダル方向またはトロイダル方向)、ならびに増殖材の形状(ロッド、プレート、またはペブルベッド)において異なる。各概念について主要な設計特徴を示し、熱機械的問題について考察する。冷却管破断に関連する問題は、構造設計の観点から最も深刻な場合が多い。増殖モジュールを収容する第一壁ボックスは、二次的な閉じ込めバリアとして脆弱であることが示されている。液体増殖材-水冷却概念は、熱設計および構造設計の観点から管理可能であると思われる。自己冷却型液体増殖材概念の場合、主な問題は電磁流体力学効果に関連するものであり、これらの困難を克服するための解決策が検討されている。固体増殖材を用いる概念では、プレート形状を採用する場合、熱応力を制限するために寸法を小さくする必要があり、許容される温度動作範囲の有効活用が不十分となる。多経路冷却方式を組み合わせたロッド形状、またはペブルベッドを用いる解決策により、より優れた熱機械的条件が達成可能であり、したがって現在の研究ではこれらの方式が優先されている。しかしながら、これらの方式は設計の複雑化を招き、欧州の各研究所で現在進行中の実験的検証が必要とされている。

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