Hydrogen transport in tokamaks : Estimation of the ITER divertor tritium inventory and influence of helium exposure
Transport d'hydrogène dans les tokamaks : Estimation de l'inventaire en tritium du divertor d'ITER et influence de l'exposition hélium
Résumé
Future fusion reactors will use a mixed fuel of deuterium and tritium. As a radioactive isotope of hydrogen, tritium can represent a nuclear safety hazard and its inventory in the reactors materials must be controlled. In ITER, the tritium in-vessel safety limit is 700 g.The tritium inventory of the ITER divertor was numerically estimated with the FESTIM code, which was developed to simulate hydrogen transport in tungsten monoblocks. A parametric study was performed varying the exposure conditions (surface temperature and surface hydrogen concentration) and a behaviour law was extracted. This behaviour law provided a rapid way of estimating a monoblock inventory for a given exposure time and for given surface concentration and temperature. This behaviour law was then used and interfaced with output data from the edge-plasma code SOLPS-ITER in order to estimate the hydrogen inventory of the whole ITER divertor. Under conservative assumptions, the total hydrogen inventory (deuterium and tritium) was found to be well below the ITER tritium safety limit, reaching around 14 g after 25000 pulses of 400 s.To investigate the influence of helium exposure on these results, a helium bubble growth model was developed. The results of this helium growth model were in good agreement with published numerical results and experimental observations. A parametric study was performed to investigate the influence of exposure conditions on the bubbles density and size. To investigate the influence of helium bubbles on hydrogen transport, deuterium TDS experiments of tungsten pre-damaged with helium were then reproduced. The distribution of bubbles density and size was computed using this helium bubble growth model and the results were used in FESTIM simulations. It was found that exposing tungsten to helium could potentially reduce the hydrogen inventory by saturating defects, making it impossible for hydrogen to get trapped. Moreover, the effect of helium bubbles (creation of additional traps for hydrogen) is limited to the near surface region (small compared to the monoblock's scale).
Les futurs réacteurs à fusion utiliseront un combustible formé d'un mélange de deutérium et de tritium. En tant qu'isotope radioactif de l'hydrogène, le tritium peut représenter un danger en terme de sûreté nucléaire et son inventaire dans les matériaux des réacteurs doit être contrôlé. Dans ITER, la limite de sécurité du tritium en cuve est de 700 g. L'inventaire de tritium du divertor d'ITER a été estimé numériquement avec le code FESTIM, qui a été développé pour simuler le transport de l'hydrogène dans des monoblocs de tungstène. Une étude paramétrique a été réalisée en faisant varier les conditions d'exposition (température de surface et concentration en hydrogène de surface) et une loi de comportement a été extraite. Cette loi de comportement a permis d'estimer rapidement un inventaire monobloc pour un temps d'exposition, une concentration et une température de surface données. Cette loi de comportement a ensuite été utilisée et interfacée avec les données de sortie du code à plasma de bord SOLPS-ITER afin d'estimer l'inventaire d'hydrogène de l'ensemble du divertor de ITER. En s'appuyant sur des hypothèses restrictives, l'inventaire total d'hydrogène (deutérium et tritium) s'est avéré bien inférieur à la limite de sécurité du tritium d'ITER, atteignant environ 14 g après 25 000 impulsions de 400 s. Pour étudier l'influence de l'exposition à l'hélium sur ces résultats, un modèle de croissance de bulles d'hélium a été développé. Les résultats de ce modèle de croissance de l'hélium étaient en bon accord avec les résultats numériques publiés et les observations expérimentales. Une étude paramétrique a été réalisée pour étudier l'influence des conditions d'exposition sur la densité et la taille des bulles. Pour étudier l'influence des bulles d'hélium sur le transport d'hydrogène, des expériences TDS de deutérium de tungstène pré-endommagé avec de l'hélium ont ensuite été reproduites. La distribution de la densité et de la taille des bulles a été calculée à l'aide de ce modèle de croissance des bulles d'hélium et les résultats ont été utilisés dans les simulations FESTIM. Il a été constaté que l'exposition du tungstène à l'hélium pouvait potentiellement réduire l'inventaire d'hydrogène en saturant les défauts, rendant impossible le piégeage de l'hydrogène. De plus, l'effet des bulles d'hélium (création de pièges supplémentaires pour l'hydrogène) est limité à la région proche de la surface (petite par rapport à l'échelle du monobloc).
Origine : Version validée par le jury (STAR)