Sviluppo e validazione di un modello costitutivo termomeccanico per i letti di sfere dell’HCPB Test Blanket Module da irradiare nel reattore a fusione ITER

Progetto: Research project

Dettagli progetto

Description

Il programma di ricerca si inquadra nell’ambito delle attività promosse dall’European Fusion Development Agreement (EFDA) in relazione allo sviluppo del mantello triziogeno a letti di sfere refrigerato ad elio o Helium-Cooled Pebble Bed blanket, previsto per un futuro reattore a fusione di potenza, e del relativo Test Blanket Module, da irradiare nel reattore ITER. Tale mantello triziogeno prevede l'impiego di letti di sfere di berillio e di composti ceramici del litio, rispettivamente, come moltiplicatore neutronico e breeder del trizio. Essi sono allocati all’interno di una struttura scatolare di contenimento realizzata in acciaio a ridotta attivazione e refrigerata attivamente da elio pressurizzato. I suddetti letti di sfere sono particolari sistemi granulari non coesi composti da un elevato numero di piccole particelle quasi-sferiche, disposte in reticoli irregolari e lambite da un gas di riempimento che ne permea gli spazi interstiziali. L’attitudine ad essere assemblati in configurazioni complesse, la porosità uniforme, la ridotta sensibilità a processi di frattura localizzata e danneggiamento neutronico hanno contributo, insieme alla riduzione delle tensioni termoindotte trasmesse alla struttura di contenimento del modulo rispetto a sistemi solidi continui di analoga composizione, ad accreditarne l’impiego nel mantello a breeder solido. Le attività di ricerca sperimentali promosse dall’EFDA e condotte presso l’ENEA-Brasimone, il ForschungsZentrum Karlsruhe (FZK) e l’NRG di Petten hanno evidenziato che tali letti di sfere mostrano comportamenti termico e meccanico complessi, non-lineari e fortemente accoppiati. In particolare, il comportamento meccanico è caratterizzato da una componente elastica non-lineare e da una plastica, prevalentemente indotta da processi di compattamento delle sfere, mentre il comportamento termico dipende sia dalla temperatura sia dallo stato tensionale e/o deformativo del letto. La conoscenza teorica di tali comportamenti è risultata relativamente limitata e i modelli costitutivi sviluppati non appaiono idonei alla predizione del comportamento dei letti di sfere nelle condizioni operative di un reattore a fusione. Pertanto, l’ENEA, l’FZK e l’NRG, di concerto con le Università di Palermo e Karlsruhe, hanno promosso campagne di ricerca mirate allo sviluppo di modelli costitutivi termomeccanici dei letti di sfere di interesse, che consentissero una predizione realistica delle sollecitazioni termomeccaniche che questi esercitano sulla struttura scatolare del modulo. Al fine di validare i modelli sviluppati e selezionarne il riferimento europeo, EFDA ha lanciato un’attività di benchmarking basata sulla simulazione numerica del comportamento delle sezioni di prova HELICA ed HEXCALIBER testate presso la facility HE-FUS3 dell’ENEA-Brasimone, alla quale partecipa il modello sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Nucleare dell’Ateneo di Palermo.

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Obiettivi Il programma di ricerca si propone di sviluppare e validare il modello costitutivo teorico messo a punto presso il Dipartimento di Ingegneria Nucleare dell’Università di Palermo (DIN) per la descrizione del comportamento termomeccanico dei letti di sfere di berillio e di composti ceramici del litio, previsti nel mantello triziogeno a breeder solido di riferimento europeo. L’ulteriore sviluppo del modello sarà perseguito sia dal punto di vista meccanico sia da quello termico. In particolare, per quanto riguarda lo sviluppo del modello meccanico si mirerà all’affinamento del modello di creep procedendo, con un approccio semi-teorico, alla rivisitazione dei parametri efficaci dello stesso, sulla base dei dati delle recenti campagne sperimentali condotte presso il ForschungsZentrum Karlsruhe e l’NRG di Petten. Per quanto attiene, invece, lo sviluppo del modello termico, particolare attenzione sarà rivolta alla investigazione della dipendenza della conducibilità termica efficace dei letti di sfere dal loro stato termico e deformativo. A tal fine si seguirà anche un approccio sperimentale adottando il “metodo dell’impulso di corrente” per una accurata determinazione dinamica delle proprietà termodiffusive dei letti di sfere ed avvalendosi della sezione di prova ATTAR-1, progettata e costruita presso il DIN. La validazione del modello sarà perseguita applicandolo alla simulazione numerica del comportamento della sezione di prova HEXCALIBER dell’ENEA-Brasimone, nel quadro della partecipazione al benchmark exercise promosso dall’EFDA e destinato a selezionare il modello costitutivo di riferimento europeo. In particolare, si mirerà ad individuare, di concerto con i ricercatori dell’ENEA-Brasimone, i test più significativi condotti su HEXCALIBER in condizioni sia stazionarie sia transitorie e si confronteranno le predizioni numeriche del modello, ottenute in relazione alle temperature e agli spostamenti delle regioni strumentate, con i pertinenti dati sperimentali. Si considera, infine, obiettivo rilevante la partecipazione di giovani laureati e dottorandi ad attività di ricerca che si svolgano in un contesto di cooperazione tra sedi universitarie e centri di ricerca anche internazionali. Metodi L’attività di ricerca proposta sarà condotta adottando metodologie sia di tipo teorico-computazionale sia di natura sperimentale. Per quanto concerne lo sviluppo e l’ulteriore affinamento del modello costitutivo e, in particolare, della sua componente termica, al fine di investigare la dipendenza della conducibilità termica efficace dei letti di sfere dal loro stato termico e deformativo si adotterà un approccio sperimentale basato sull’impiego del “metodo dell’impulso di corrente” atto alla determinazione dinamica delle proprietà termodiffusive di materiali granulari e ci si avvarrà della sezione di prova ATTAR-1, progettata e costruita presso il DIN, per testare specificatamente letti di sfere polidispersi di ortosilicato di litio. Per quanto attiene la validazione del modello costitutivo, si adotterà un approccio di tipo teorico-computazionale, basato sull’adozione del Metodo degli Elementi Finiti, data la notevole complessità dei domini oggetto d’indagine, sia dal punto di vista geometrico che termofisico. In particolare, si implementerà il modello costitutivo all’interno di un quotato codice di calcolo agli elementi finiti di tipo commerciale. Si procederà, successivamente, alla simulazione dei test più significativi condotti sulla sezione di prova HEXCALIBER in condizioni sia stazionarie sia transitorie e si appunterà l’attenzione sulle temperature e sugli spostamenti previsti in corrispondenza alle regioni strumentate della sezione stessa, confrontandoli con le misure effettuate. Tale confronto consentirà di valutare le potenzialità predittive del modello costitutivo in condizioni di sollecitazione dei
StatoAttivo
Data di inizio/fine effettiva1/1/07 → …

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