Compliance with imposed hydrogen concentration limits in the lithium loop of the DEMO-Oriented Neutron Source (DONES) requires the installation of an yttrium-based hydrogen trap. To determine an appropriate H-trap design, it is essential to have access to a numerical tool capable of simulating hydrogen transport in the DONES lithium loop connected to an yttrium pebble-bed. In the past, a simplified model was created that allows such calculations when hydrogen concentrations in the lithium are low. However, in certain DONES operating phases, the concentration in the lithium is high and in a range where yttrium dihydride (YH2) formation is likely. Due to the anticipated great impact of YH2 formation on the H-trap performance a new model is developed that includes the mechanism of hydride formation. It is based on a mathematical reproduction of complete pressure-composition isotherms of the Li–H and Y–H systems. Thus, the conditions that trigger YH2 formation are determined and the variation of hydrogen solubility in different yttrium hydride phases is deduced. An approximate concentration-dependent relationship of hydrogen diffusivity in yttrium is derived and incorporated into the model. Simulations are performed to analyze the dynamics of the concentration decrease during purification of the lithium circuit prior to the experimental DONES phase by varying design parameters of the trap. It is found that hydride formation greatly increases the hydrogen gettering capacity of the H-trap and limits the maximum concentration in the lithium. Indeed, YH2 formation may be purposefully triggered to exploit its beneficial properties for DONES. Simulations of the hydrogen purification process during the experimental phase of DONES show that the H-trap must be replaced at least every 28 days to meet tritium limits. This work sets the conditions for the required pebble-bed mass of the H-trap at a given temperature to comply with the DONES safety requirements. Finally, the model is validated by numerical reproduction of experimental results.
DEMO指向中性子源（DONES）のリチウムループにおいて課された水素濃度制限への適合には、イットリウムベースの水素トラップの設置が必要である。適切なHトラップ設計を決定するには、イットリウムペブルベッドに接続されたDONESリチウムループ内の水素輸送をシミュレートできる数値ツールへのアクセスが不可欠である。過去には、リチウム中の水素濃度が低い場合にそのような計算を可能にする簡略モデルが作成された。しかしながら、特定のDONES運転段階では、リチウム中の濃度は高く、二水素化イットリウム（YH2）形成が起こり得る範囲にある。YH2形成がHトラップ性能に及ぼす大きな影響が予想されるため、水素化物形成のメカニズムを含む新しいモデルが開発された。これは、Li–H系およびY–H系の完全な圧力－組成等温線の数学的再現に基づいている。これにより、YH2形成を引き起こす条件が決定され、異なるイットリウム水素化物相における水素溶解度の変化が導出される。イットリウム中の水素拡散係数に関する近似的な濃度依存関係が導出され、モデルに組み込まれた。トラップの設計パラメータを変化させることにより、実験DONES段階の前のリチウム回路の浄化中における濃度減少の動力学を分析するためにシミュレーションが実行された。水素化物形成はHトラップの水素ゲッタリング能力を大幅に増加させ、リチウム中の最大濃度を制限することが見いだされた。実際、YH2形成は、DONESにとってのその有益な特性を活用するために意図的に引き起こされ得る。DONESの実験段階における水素浄化プロセスのシミュレーションは、トリチウム制限値を満たすためにHトラップを少なくとも28日ごとに交換しなければならないことを示している。この研究は、DONESの安全要件を満たすために、所定の温度におけるHトラップの必要ペブルベッド質量の条件を設定する。最後に、モデルは実験結果の数値的再現によって検証される。