First principles study of the static arrangement of a plasma facing component in the form of a capillary porous system (CPS)

Abstract

The present PhD dissertation focuses on the modelling of alternative plasma facing components (PFCs) in the form of liquid metals in order to circumvent problems generated by plasma-wall interaction, namely handling the excessive heat and electric current loads generated in the bulk of the reactor and directed towards the divertor. The free surface PFCs constitute one of the most critical technological challenges of future fusion reactors. Out of the proposed liquid metal concepts, this PhD dissertation deals with the jet/drop curtain and, primarily, the Capillary Porous System (CPS) concepts.Regarding the jet/drop concept pertaining to the ISTTOK experiments, the simplified model developed in the context of the present study, provides a proof of principle explanation for the observed deflection from the original trajectory in a Tokamak environment. Furthermore, this PhD dissertation is an attempt, through first principles studies, to describe the major phases of the CPS operation. More specifically, it models-explains what happens during the preparation phase, that is to say before the machine is “turned on”. Subsequently, it delves into the replenishment process of liquid metal, following its depletion due to a large external heat load, identifying the interplay between the different forces that act towards pushing liquid lithium out of the porous matrix or resist its motion. Finally, the current PhD dissertation studies extensively the static arrangement of the liquid metal film that rests onto the CPS outer surface, as a function of the reservoir overpressure, the substrate nature and topography, external field forces and wetting properties of the working liquid metal on the substrate. It was thus seen for realistic reservoir overpressures, i.e. approaching vacuum conditions, that micron or even submicron coatings are established as a result of the balance between pressure and adhesive forces. In this regime, the pore size and mesh topography start playing an important role in the static arrangement. Furthermore, a threshold reservoir overpressure exists beyond which a static arrangement with the liquid metal coating the CPS is not possible. In the presence of a magnetic field and an incoming electric current the above static arrangement is modified within each pore due to the Maxwell stresses that develop, while the interface with plasma is pushed out of the pore as the magnetic pressure increases.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επικεντρώνεται στην μοντελοποίηση εναλλακτικών στοιχείων αντιμετώπισης του πλάσματος υπό μορφή υγρών μετάλλων έτσι ώστε να προστατευτούν τα τοιχώματα του αντιδραστήρα από προβλήματα που σχετίζονται με την αλληλεπίδρασή τους με το πλάσμα, όπως τα πολύ υψηλά θερμικά φορτία και τα μεγάλα φορτία ηλεκτρικού ρεύματος που δημιουργούνται στο κέντρο του αντιδραστήρα και κατευθύνονται προς τον divertor. Τα στοιχεία αντιμετώπισης του πλάσματος υπό μορφή υγρών μετάλλων αποτελούν μία από τις πιο ζωτικής σημασίας τεχνολογικές προκλήσεις των μελλοντικών αντιδραστήρων σύντηξης. Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επικεντρώνεται στη συστοιχία από τζετ ή σταγόνες και κυρίως στην τριχοειδή πορώδη διάταξη (CPS).Όσο αναφορά την μελέτη σχετικά με την συστοιχία από τζετ ή σταγόνες, το απλοποιημένο αριθμητικό μοντέλο παρέχει μια πρώτη εξήγηση για την εκτροπή των παραπάνω από την αρχική τους πορεία σε ένα περιβάλλον TOKAMAK. Επιπλέον, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή προσπαθεί μέσα από βασικές αρχές να περιγράψει τις κύριες φάσεις λειτουργίας του CPS. Συγκεκριμένα, μοντελοποιεί-εξηγεί τι συμβαίνει πριν η μηχανή "ανοίξει". Εν συνεχεία, μελετάει τη διεργασία ανατροφοδότησης του υγρού μετάλλου, που ακολουθάει την εξάντλησή του εξαιτίας ενός τεράστιου θερμικού φορτίου, έτσι ώστε να αναγνωριστούν οι κυρίαρχες δυνάμεις που λαμβάνουν χώρα και ενεργούν έτσι ώστε να σπρώχνουν το υγρό μέταλλο προς τα έξω ή ανθίστανται στην κίνησή του. Τέλος, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετάει εκτενώς την στατική διαμόρφωση του υγρού μετάλλου υπό μορφή υγρού υμένα που σχηματίζεται στην άνω επιφάνεια του CPS, ως συνάρτηση της επίδρασης της διαφοράς πίεσης, της τοπογραφίας του πορώδους υποστρώματος, εξωτερικών πεδιακών δυνάμεων και ιδιοτήτων διαβροχής του υγρού μετάλλου με το στερεό υπόστρωμα. Εν συντομία, διαπιστώθηκε ότι για ρεαλιστικές διαφορές πίεσης, δηλαδή κοντά σε καταστάσεις κενού, υγροί υμένες τάξεως μικρομέτρων και υπο-μικρομέτρων σχηματίζονται. Σε αυτή την περιοχή το μέγεθος του πόρου και η τοπογραφία του αρχίζουν να παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στην στατική διαμόρφωση. Επίσης, βρέθηκε μία κρίσιμη τιμή της διαφοράς πίεσης, πέραν της οποίας η στατική διαμόρφωση δεν μπορεί να επιτευχθεί. Στην παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου και ενός προσπίπτοντος ηλεκτρικού ρεύματος η προαναφερθείσα στατική διαμόρφωση επηρεάζεται εξαιτίας των τάσεων Maxwell που αναπτύσσονται, ενώ η διεπιφάνεια με το πλάσμα σπρώχνεται έξω από τον πόρο όσο η μαγνητική πίεση αυξάνεται.