Contribución al análisis de transitorios térmicos accidentales en los componentes de un reactor de fusión nuclear

Abstract

En el diseño de los componentes directamente enfrentados con el plasma en un reactor de fusión por confinamiento magnético es necesaria la evaluación de las consecuencias de accidentes que involucran disfunciones en el sistema de refrigeración correspondiente a cada uno de ellos. La permanente interacción entre el análisis de seguridad y el proyecto de definición de la planta permite la obtención de diseños intrínsecamente seguros, que conducen la instalación, tras la iniciación de un accidente, a una situación exenta de peligro mediante mecanismos pasivos de remoción del calor. Las condiciones de trabajo de los componentes estudiados son extremadamente severas, actuando simultáneamente varios procesos de transporte de energía. De entre ellos, se analiza la eficacia de la radiación térmica y la convección natural como mecanismos de seguridad pasiva. La descripción correcta de los fenómenos presentes requiere la puesta a punto de un modelo mixto de transmisión del calor (conducción-radiaciónconvección), mediante una aproximación de elementos finitos. Las diferentes escalas de tiempo asociadas a cada uno de esos fenómenos producen un sistema de ecuaciones rígido en la integración temporal. Por otra parte, la no linealidad intrínseca del problema considerado introduce rigidez en la discretización espacial. Una extensa experimentación numérica contribuye a identificar los algoritmos más eficaces para la resolución del problema. Se propone un método original de control simultáneo sobre el error en la integración temporal y sobre el tamaño del paso de tiempo, basado en la combinación de algoritmos secantes (cuasi- Newton) y un método de continuación o de longitud de arco impuesta. El modelo se utiliza para el análisis de secuencias accidentales globales (en todo el reactor), utilizando varios diseños de referencia correspondientes al Next European Torus (NET), para aplicarse posteriormente al análisis bidimensional de la placa divertora del reactor ITER (International Tokamak Experimental Reactor), con el doble objetivo de evaluar las consecuencias de varios tipos de accidentes de pérdida de capacidad refrigerante, y de definir los materiales y la geometría óptimos para el componente. Las conclusiones de este estudio muestran que, si se asegura la extinción de la reacción de fusión en el plasma tras la iniciación de un accidente, la radiación térmica y la convección natural son capaces de contrarrestar los efectos del calor residual y la inercia térmica de los componentes. El parámetro crítico que determina la severidad del accidente es el tiempo de extinción del plasma, cuyos valores mínimos para diversas situaciones se han identificado