Cálculo del estrés térmico en las placas objetivo del nuevo divertor superior en ASDEX Upgrade

Abstract

[ES] ASDEX Upgrade (AUG) es un Tokamak experimental (www.aug.ipp.mpg.de) en funcionamiento desde 1991. Se trata de un Tokamak de tamaño medio diseñado para investigación de la energía de escape con una potencia de calentamiento normalizada relevante para el ITER P/R de 18 MW/m. A lo largo de los años, se han realizado muchas actualizaciones y en los próximos años se instalará un nuevo divertor superior con bobinas dentro de la vasija. El objetivo del proyecto es demostrar que configuraciones alternativas (¿X-divertor¿ o ¿Snowflake divertor¿) pueden mitigar el problema del a energía de escape. Para obtener las configuraciones magnéticas requeridas, se deben integrar en el diseño del divertor dos bobinas de campo poloidal cerca de la línea de ataque. Esta mejora se llevará a cabo en el divertor superior del AUG que, desde su construcción, nunca ha sido modificado. Por lo tanto, en 2022 se instalarán nuevos componentes: la bomba criogénica, los divertors internos y externos y las bobinas internas. El diseño del divertor exterior está fuertemente impulsado por muchos requisitos impuestos por la física: el más severo es la integración de las bobinas en los módulos del divertor; otro es la necesidad de helicidad en las configuraciones del campo magnético. Para combinar ambas restricciones, el divertor exterior está diseñado como un anillo rígido formado por módulos bridados entre sí. De esta manera, no es necesario inclinar los módulos ni los elementos objetivo se fijados a ellos. Las placas objetivo están hechas de grafito revestido de tungsteno y están montadas en la estructura del anillo toroidal de soporte situado en el interior de la vasija de vacío. Una vez que los objetivos estén instalados, tendrán un espacio toroidal de 1 mm y un paso de ±0,1 mm entre los objetivos adyacentes. La forma de las placas está optimizada para reducir el efecto de los bordes de ataque que podrían terminar en un factor de amplificación del flujo de calor. A lo largo del perfil poloidal del divertor exterior, se diseñan tres tipos de blancos: el que espera el mayor flujo de calor se diseña sin orificios frontales para su montaje, sólo para evitar cualquier efecto de borde. La fijación de este objetivo especial estará garantizada por un sistema de tornillos excéntricos colocados en sus lados. La potencia máxima esperada del flujo de calor es del orden de 10 MW/m2. Las placas, que están débilmente refrigeradas, reciben la energía calórica en pulsos de 10 s de duración y se enfrían a través de la fijación a la estructura de soporte enfriada por agua. El trabajo de fin de máster se centrará en la evaluación del estrés térmico en este objetivo especial de grafito diseñado para proteger los componentes de la vasija. Se esperan mayores tensiones en las regiones de sujeción de las placas, por lo que deben incluirse en su modelo mecánico, así como en la estructura de soporte. Se debe hacer un modelo no lineal, con los contactos y las propiedades de los materiales en función de la temperatura. La desalineación de los objetivos también puede ser investigada más a fondo. El código FEM aconsejado es Ansys.

[EN] ASDEX Upgrade (AUG) is an experimental Tokamak (www.aug.ipp.mpg.de) in operation since 1991. It is a midsize Tokamak designed for power exhaust research with an ITERrelevant normalized heating power P/R of 15 MW/m. Over the years, many upgrades have been realized and in the next years a new upper divertor with in-vessel coils will be installed. The aim of the project is to prove that alternative divertor configurations (X-divertor or Snowflake divertor) can mitigate the exhaust power problem. To realize the required magnetic configurations, two poloidal field coils close to the strike line must be integrated in the design of the divertor. This upgrade will be carried out in the upper divertor of AUG that, since its building, has never been modified. Therefore, new components are going to be installed in 2022: cryopump, inner and outer divertor targets, and the in-vessel coils. The design of the outer divertor is strongly driven by the integration of the coils in the divertor modules and necessity of helicity in the magnetic field configurations. To combine both, the outer divertor is designed as a stiff ring consisting of modules flanged together that do not need to be tilted. The target elements are made of graphite coated with tungsten and they are mounted inside the vacuum vessel in the already existing toroidal ring structure. The shape of the targets is optimized to reduce the effect of leading edges that cause an increment of the heat flux due to the orientation of the smashing particles The outer upper divertor has three types of target design. The one expecting the higher heat flux is designed without front mounting holes, to avoid any edge effect. The maximum expected heat flux power is in the order of 10 MW/m2 and the targets are weakly cooled. They receive the energy during the 10 s long pulse and are cooled down via the clamping to the water-cooled support structure in between discharges. This master thesis is focused on the evaluation of the thermal stresses in this special graphite target, which is designed to protect the in-vessel components. Non-linear modelling was used, including contacts and material properties as function of the temperature. The FEM code used for the thermomechanical simulations is ANSYS. After the completion of the analyses an experimental campaign in a high heat flux test facility was performed. The results from which allowed to validate the simulation design. Finally, normal operation at ASDEX Upgrade was modelled to assess the performance and resistance of the tile.