Modelado y Simulación de la Transferencia de Tritio usando ...
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Modelado y Simulación de la Transferencia de Tritio usando
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CIEMAT - Empresarios Agrupados Internacional
Tel: 34 – 91 448 85 98 http: www.ecosimpro.com
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Índice de la presentación
•Motivación del desarrollo
•EcosimPro overview
• Librerías desarrolladas en EcosimPro
• Validación y Verificación
•TBM - HCLL + Sistemas auxiliares
• Sistemas de Extracción y Purificación
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Motivación & Descripción
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Descripción del proyecto
Motivación
•El proyecto propuesto se engloba dentro del proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)
•Exigencia muy severa de control de inventario dinámico y global del tritio . Y por tanto un gran interés en explorar nuevas estrategias de control en base a la simulación de los procesos
•La disponibilidad de un modelo de simulación resulta fundamental a la hora de resolver determinados problemas:
• el conocimiento y control del inventario de tritio en los distintos sistemas de la planta de tritio
• estudio detallado de los fenómenos de transferencia del mismo
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EcosimPro®: Modelling Tool Features
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Empresarios Agrupados www.empre.es
General Description
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ESA-EA Relationship
• EcosimPro (www.ecosimpro.com) project was originally an ESA project for modeling complex environmental control and life support simulation for the International Space Station (Columbus and Hermes)
• In 1995 EA decides to create a commercial product based on this software and move to the Windows operating system.
• ESA is funding every year a part of the new improvements of EcosimPro since EcosimPro has become as the standard ESA tool in the areas of ECLSS, Propulsion and Biological Systems.
• EA and ESA maintains a close relationship in terms of exchanging information, proposing new improvements, creation of standard libraries, etc.
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What is EcosimPro? www.ecosimpro.com
• EcosimPro is a general simulation environment for Object Oriented Modeling (OOM)
• EcosimPro is a user-friendly simulation tool for modelling simple and complex physical processes expressing the behaviour in terms of DAEs and discrete events
• EcosimPro is able to calculate:
– Transients – Steady states – Parametric studies – Custom calculations – Optimization
General Description
Object Oriented Model
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Current Libraries (I)
Thermal balances in power generating plants
(nuclear, combined cycle...)
THERMAL BALANCE
Flow of compressible fluids in piping systems
FLUID
Environmental control and life support systems in manned space craft
ECLSS
Hydraulic transients in space propulsion
PROPSAT
Hydraulic transients PIPELIQTRAN
Hydraulic systems Steady-state mode
PIPELIQ
Self-regulating control systems
CONTROL
Satellite thermal analysis
THERMAL
EcosimPro
Predictive control
PREDICT
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Current Libraries (II)
Aeronautical propulsion
TURBO
Electrical circuits ELECTRIC
1D mechanical systems MECHANICAL
Process plants
PROCESS
Flight mechanics
FLIGHT
Rocket and satellite propulsion ESPSS
Loop heat pipes
HEAT PIPE
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Tritium Modelling TRITIUM
Cryogenic Systems
CRYO_LIBS
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Resumen de aplicaciones desarrolladas con EcosimPro
Principales Sectores industriales
1. Espacio 2. Aeronáutica 3. Energía 4. Procesos 5. Programa de Ciencia para la Industria (CDTI)
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Resumen de aplicaciones desarrolladas con EcosimPro
1. Espacio Tipos de Aplicaciones Herramientas disponibles y/o experiencias de interés Aplicabilidad
Sistemas de Control Ambiental y Soporte de Vida Librería de componentes ECLSS Procesos Termoquímicos
Proyecto ARES de ESA (Air Revitalization System for ISS): - Simulación de la Producción de oxígeno a partir del agua - Simulación de la captura y control del CO2 en cabina - Simulación de la conversión del CO2 en agua y metano - Simulación de la recuperación del agua producida en los procesos
Procesos biológicos/bioquímicos
Propulsión Química y eléctrica (Lanzadores y Satélites) Librería de componentes ESPSS
Redes hidráulicas (incluso flujos compresibles y bifásicos) Librería de componentes FLUIDAPRO
Sistemas de Potencia (Satélites)
Librería de componentes ELEC_MACHINES: - Control carga y descarga de batería del satélite, así como distribución a consumidores
Procesos electroquímicos
Almacenamiento de energía por vía electroquímica
Control Térmico
Librería de componentes THERMAL: - Cálculo de cargas térmicas por conducción, convección y radiación
Librería de componentes HEAT PIPES Refrigeración sin componentes activos (pequeña potencia)
Librería de componentes LHP Refrigeración sin componentes activos (mediana potencia)
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Resumen de aplicaciones desarrolladas con EcosimPro
Tipos de Aplicaciones Herramientas disponibles y/o experiencias de
interés Aplicabilidad
Turbopropulsor Librería de componentes TURBO Modelado Turbomaquinaria
Control ambiental y soporte de vida en cabina Librería de componentes ECS
Sistemas Auxiliares (Combustible, Refrigeración, Eléctrico, etc) Librería de componentes AUX_SYSTEMS
2. Aeronáutica
www.proosis.com
It includes all the typical components of aero engines, such as compressors, turbines, fans, nozzles, shafts, propellers, combustion chambers…
TURBO library
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Resumen de aplicaciones desarrolladas con EcosimPro
3. Energía Tipos de Aplicaciones Herramientas disponibles y/o experiencias de interés Aplicabilidad
Redes de tuberías/conductos
Librería de componentes PIPELIQ (estacionarios) Modelado redes de distribución y transporte
Librería de componentes PIPELIQTRAN (estac y transitorios) Modelado redes de distribución y transporte
Librería de componentes FLUIDAPRO (estac y transitorios i. flujos bifásicos) Modelado redes de distribución y transporte
Balances Térmicos Librería de componentes THERMAL_BALANCE Estudio balances térmicos a diversas potencias
Sistemas de Planta
Librería de componentes PLANT_SYSTEMS
Estudio dinámico sistemas
Modelado transitorios planta cogeneración-refinería
Modelado sistema colectores parabólicos planta termosolar (CENER)
Modelado planta de tritio y TBMs(ITER)
Modelado sistemas criogénicos (CERN e ITER)
Sistemas Eléctricos Librería de componentes ELEC_MACHINES Estudio sistema eléctrico
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Resumen de aplicaciones desarrolladas con EcosimPro
4. Procesos Tipos de Aplicaciones Herramientas disponibles y/o experiencias de interés Aplicabilidad
Procesos químicos Librería de componentes PROCESS Modelado procesos químicos varios
Control
Librería de componentes CONTROL Estudio sistema control
Librería de componentes PREDICTIVE_CONTROL Estudio sistema control
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Resumen de aplicaciones desarrolladas con EcosimPro
5. Science Infrastructure
Para más información:
www.ecosimpro.com
Applicatios Available Libraries and Experience
Cryogenic Library CRYO_CERN (under development) Important enhancement and extension under development
Tritium Library TRITIO_SIM under development
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Success Histories
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1. Example of a complex model for modeling: the Vulcain engine
• Example: Vulcain Main Stage
1
2Pump
12
SinglePipe
123
12
SinglePipe
Pt
Bound_PT_liq
12
PT
LOX LH2
TP LOX TP LH2
LEO LEH1
2SinglePipe
PT
12
1
2
SonicTurbine
1
2
SonicTurbine
12
SinglePipef1f2
GasCo
mb_to
_Fluid
a
1 2SinglePipe
1 2
Valve
12
SinglePipe
1 2SinglePipe
12
12
1 212
31 2
12
1 2
12
VAO VAH
1 2
VGO
VCO
VGH
VCH
12
Valve
12
SinglePipe
12
SinglePipe
12
SinglePipe1
2SinglePipe
VGC
CombustChamber_GasLiq
f_liq f Gas
tp
s_pos_gas
tp_chRegCircuit
1
2CombustChamber_GasLiq
f_liq f Gas
tp
s_pos_gas
12
Single
Pipe
12
31
2
Valve
1 2
Valve
EcosimPro model
O2 line
H2 line
Turbine and Pump
Gas generator
Combustion chamber and refrigeration Nozzle
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ECO
ECO
ECO
SHSH
V1
V2
S8
Eco4 Eco3 Eco2
Eco1EvLP
EvIPEvHP
P1
SH
S3
V3
SHSH
P3
mix3
mix1
P2
A
G
TurLP
mix4
P8
P7
P6
P5 Air
Gas
TurIPTurHP
Pu1
Div5Pu2
Pu3
V5
Tg
Con
DrHP DrLPDrIP
ECO
SH
Mix21
Mix22
Pu5
Div31
Div41
Planta de Ciclo Combinado de CASTEJON
Modelo de Ecosimpro
ECO
VHP
VIP
VLP
VATH
S1 S6 S5
RHATT
S4
M10
FH
M11
ALT
V4
M12
N
circ_in circ_out
aire_in
aire_out
Div7 V6
P4
dg_2
2. Example of a Combine Cycle Model
EcosimPro Model
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3. Example of a Reverse osmosis desalination
EcosimPro Model
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Body globe valve
with diaphragm actuator
Prepilot Pilot
Error in pressure regulated (Opening)
Rate calculation and
limitation
Calculation of valve
opening
Control Blocks
4. Example of a Pressure Regulator Valve
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5. LHC Simulation
Helium compressor station of Large Hadron Collinder (LHC) at CERN
Helium refrigerator of LHC
Main modelled parts and processes: • Compressor station
• Coldbox
• Intermediate cryostat
• Coil cryogenic system
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Model of an helium compressor station of LHC at CERN
5. LHC Simulation
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Reached goals using LHC simulator (PROCOS):
• High accuracy simulation of the cryogenic system working
• Validating the control system of cryogenic plant of LHC by simulating real work conditions
• Training of LHC operators by working with the model simulated before working with the real system
5. LHC Simulation
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6. Steam Stability Study (PORTO Refinery)
The steam stability analysis allows verifying the proper operation of the Heat Recovery Steam Generators that are going to be installed in the new Cogeneration Plant at Porto Refinery
Schematic of the complete model
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Main components of the SMART-1 Electric propulsion system
EcosimPro Model
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Main Concepts in EcosimPro
Main Concepts in EcosimPro
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EcosimPro®: modeling tool features
EcosimPro is a latest generation modelling and simulation tool which has been developed by Empresarios Agrupados over the past 20 years
EcosimPro features a man-machine interface which facilitates the task of creating models intuitively
It was originally developed by the European Space Agency
EcosimPro provides an object-oriented non-causal approach for creating reusable component libraries and are based on very powerful symbolic and numerical methods capable of processing complex systems of differential-algebraic equations
F = m * a o
F – m * a = 0 o
a= F/m
This is one of the keys to re-use the same components for different studies because...
the equations are automatically transformed!
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• EcosimPro User Interface: General
General Toolbar
Library area
-.el files - compiled components - partitions - experiments - symbols - schematics
Messages area
Editing area
View Mode
User Interface
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• View Mode: Simulation View Running experiments
Batch execution
Execution in Monitor
User Interface
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What is a Port? • A port encapsulates the variables that represent the actual physical exchange among components • The components are connected by ports (electrical, control, fluid, thermal, etc)
EcosimPro. El Language
What is a Component? • A component is the most elementary block in EcosimPro • It is a concept which is equivalent to a class in programming • The difference is that instead of encapsulating methods or functions, it encapsulates a mathematical model
PORT Fluid SUM REAL w "mass flow (kg/s)" EQUAL REAL p "pressure (Pa)" END PORT
Fluid Port changes: -Mass flow - Pressure
Ports
Component Valve
COMPONENT Valve PORTS IN Fluid f_in -- Fluid port IN OUT Fluid f_out -- Fluid port OUT DATA REAL Cv -- Max flow area DECLS REAL dP -- Pressure differential CONTINUOUS f_in.P - f_out.P = dP -- calculation of
pressure m / sqrt(dP * f_in.rho) = Cv * position.signal END COMPONENT
The equations are written in any order and format. Afterwards, EcosimPro transforms them symbolically
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Librerías desarrolladas en EcosimPro
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El proyecto Iter es un proyecto de cooperación internacional en el que colaboran China, la Unión Europea, Japón India, Corea, Rusia y Estados Unidos.
Tiene como objetivo el demostrar que el uso de la fusión nuclear como fuente de energía es técnica y energéticamente factible
El sistema se basaría en la reacción que se indica a continuación:
Debido a la escasez de tritio y su necesidad para este proceso, los sistemas de producción y recuperación de tritio cobran especial importancia
PLANTA DE TRITIO
Existe una exigencia muy severa de control de inventario dinámico y global del tritio, en base a las estrategias habituales de balance de masa y con las particularidades añadidas de que son sistemas muy complejos y las propias peculiaridades del tritio como isótopo
Librerías en EcosimPro
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El desarrollo de modelos centrados en el control del inventario de
tritio con la herramienta de modelado EcosimPro de Empresarios Agrupados (EA) en colaboración con el CIEMAT, permite simular:
1. Fenómenos de transferencia: Simulaciones similares a las que se pueden
realizar con tmap7. Las librerías se han verificado frente a esta herramienta y validado con resultados experimentales
2. Test Blanket Modules (TMB) en la configuración HCLL
3. Ciclo interno de regeneración del Tritio (TBM + Sistemas auxiliares)
4. Extracción y purificación de corrientes tritiadas: modelado de los sistemas de la PdT (cámara de vacío, TEP, ISS, lechos…)
Librerías en EcosimPro
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Librerías en EcosimPro
1. TRITPLANT_UNITS
2. TRITPLANT_EXAMPLES
- Validaciones
- TBM schematics
- TBM + Auxiliary systems schematics
- PdT systems schematics
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Librerías en EcosimPro
TRITPLANT_UNITS - Enumerados
…
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Librerías en EcosimPro
TRITPLANT_UNITS
-Cálculo de propiedades - Prop_atomic.el:
diffussion_coef; solubility_coef; recombination_coef; disociation_coef
- Prop_gases.el:
dens_gas; pres_sat_elem;
- Prop_liquids.el:
dens_liq_elem;dens_liq_mix
-Funciones: Node_distribution
IntegBackwardO2
f_reaction -- Function used to determine the reaction rate when it is: R = k(Ca·Cb-1/K·Cc·Cd)
f_reaction2 -- Function used to determine the reaction rate when it is: R = kCa·(2·Ca+Cc+Cd)
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Librerías en EcosimPro
TRITPLANT_UNITS - PORTS
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Librerías en EcosimPro
TRITPLANT_UNITS - PORTS
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Librerías en EcosimPro
TRITPLANT_UNITS - PORTS
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Validación y Verificación
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Validaciones
• Enclosure pre-charged with a fixed quantity of Tritium, allowed to diffuse through a finite slab of SiC (ct =0 = 0)
• The surface of the slab in equilibrium with the source enclosure. • Boundary condition at the exit side of the slab constant at zero concentration.
Validation 1 (theoretical cases) from TMAP: Diffusion from a Depleting Source
Schematic Model
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• Initial conditions of Enclosure P: 1e6 Pa. • Boundary conditions = 0 except temperature = 2373 K • Simulation for 140s. • Results comparison:
Fractional Release of Tritium from a depleting source
Fractional release of tritium from depleting source
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30
t (s)
Rel
ease
Fra
ctio
n (%
)
EcosimPro
Tmap7
Theory
Validaciones
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Atomic Flux at x = 0 (at/m2s)
Atomic flux
0
2E+18
4E+18
6E+18
8E+18
1E+19
1.2E+19
1.4E+19
0 20 40 60 80 100 120 140 160
time (s)
J at
x =
0 (a
t/m2 s
)
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tmap7
Validaciones
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Validaciones
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Validaciones
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Validaciones
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• For validating enclosure reaction simulation
Validation 2 (theoretical cases) from TMAP : Enclosure Reaction Problems
Product pressure Evolution
2.1. Simple Forward Reactions
• Reaction: • 2 cases: -Equal starting pressures
ABBA →+
-Unequal starting Pressures
Product Pressure history
0.0E+00
2.0E-07
4.0E-07
6.0E-07
8.0E-07
1.0E-06
1.2E-06
0 10 20 30 40 50 60
t (s)
P (P
a)
Equal starting PressuresTheoryUnequal Starting PressuresTheory
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Pressure Evolution
2.2. Series Reactions
• Reaction:
CBA kk →→ 21
Pressure history
0.00E+00
2.00E-07
4.00E-07
6.00E-07
8.00E-07
1.00E-06
1.20E-06
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
t (s)
P(Pa
)
T2 EcosimProT2 TheoryHT EcosimProHT TheoryHTO EcosimProHTO Theory
Validaciones
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• Enclosure connected to a material. Interactions: H2, T2, HT
Validation 3 (theoretical cases) from TMAP: Species Equilibration on a Reactive Surface
Schematic Model
• 2 experiments: -Equal starting Pressures (H2 = T2 = 1e4 Pa)
• Both with the same structure:
-Unequal starting Pressures (H2 = 1e4; T2 = 1e5)
Validaciones
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• Results comparison: Pressure Evolution in each case
Pressure evolution Exp 1
Pressure evolution Exp 2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
0 1 2 3 4 5 6 7
Product
Theory
Reactives
Theory
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
0 1 2 3 4 5 6 7
H2 EcosimProH2 TheoryHT EcosimProHT TheoryT2 EcosimProT2 Theory
Validaciones
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EXPERIMENTO LIBRETTO 4.1 LIBRETTO: Liquid BReeder Experiment with Tritium Transport Option
- It studies the Tritium (produced in a tube filled with Lead Lithium) permeation rate through pre-oxidized ferritic-martensitic EUROFER97 and also through a austenitic steel (316L) into a He cooling channel
Goal: the dynamic simulation to reproduce tritium release-rate data, both permeation and desorption at LIBRETTO-4 capsules
31
42
63 THenLi +→+
• Total tritium production:
contcontEuroferPermExt ndst 21, φφφφφ +=+=
(“2nd containment”)
LprExt 316,φφφ +=
EuroferPerm,φ
2 TRITIUM TRANSFER LINES
1 - Permeation through EUROFER wall
2 - Permeation at 316 L wall + desorption at PbLi free surface (EXTRACTION line)
(“1st containment”)
Validaciones
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• It models the experiment LIBRETTO 4.1 in which the generator material is 316L in one side and EUROFER in the other.
• The generator material is also connected upside with an enclosure • EUROFER and 316L are in contact with enclosures • Enclosures are not modeled, but used as boundary conditions
Validaciones
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Total Tritium production flux comparison Permeation through EUROFER wall + Permeation at 316 L wall +
desorption at PbLi free surface
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TBM-HCLL + Sistemas Auxiliares
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1. Sin dinámica de fluidos: únicamente generación y difusión. Basado en la simetría central.
TBM HCLL+ Sistemas Auxiliares
TES: extracción de T. Caja negra con eficiencia (0.9)
Ciclo de He: Cajas negras. CPS con eficiencia (0.9)
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2. Considerando flujo de LiPb • Componente Pipe: difusión + generación+ flujo.
• Channel
• Modelo TBM: canales para la forma en U. Generación = f(t,x): Pulsos: valores entre 0 y 1 desde el puerto
TBM-HCLL + Sistemas Auxiliares
( ) ( )∫ −⋅⋅= smatepgen xwb 2/
Perfil de generación de T
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2. Considerando flujo de LiPb • Ciclo de T:
• Tanques CT y ST • Extracción de T en TEU (eff)
• Ciclo de He: condición de contorno cT = 0
TBM HCLL+ Sistemas Auxiliares
TBM
TEU
CT ST
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2. Considerando flujo de LiPb Datos del sistema
TBM: - canal discretizado en sentido longitudinal - generación: exponencial integrada tiene un valor total de 1.48 mol/s - T = 450ºC - Eurofer: S permeación = 0.644 m Espesor: 2.44e-3 m - Canal: V = 2.9356e-2 m3
L = 0.79 m Sección = 0.03655 m2
uLiPb = 0.1 m/s TEU: - eff = 0.9 - L = 1.7 m - D = 0.06m - e = 2.5mm Tanque:- V = 0.8m3 - Espesor de pared = 2 cm Pipes: - L: Pipe1 = 11.7 m Pipe 2 = 3 m Pipe 3 = 3 m Pipe 4 = 8.7m - D = 42.2 mm - e = 3.56 mm - u = 0.1-1 kg/s
TBM-HCLL + Sistemas Auxiliares
TBM
TEU
CT
ST
Pipe 1
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Resultados:
TBM-HCLL+ Sistemas Auxiliares
TBM
TEU
CT
ST
Evolución de la concentración de tritio en los canales del TBM para todos los puntos discretizados
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Extracción y Purificación de corrientes tritiadas
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Sistemas de Extracción y Purificación
La Planta de Tritio está constituida por los sistemas:
• Sistema de Alimentación de Combustible (FS): Alimentación a la cámara de vacío con mezcla de gases.
• Cámara de Reacción (VV): Cámara de vacío donde se da la reacción de combustión y adsorción a las paredes.
• Sistema de Bombeo Primario (PVS + BF): Evacúa los productos del plasma y los bombea hacia el Sistema de Procesamiento Primario y de Purificación
• Sistema de Procesamiento Primario y Purificación (TEP/FCU-E): Para recuperar el tritio en los productos de reacción se separan H, D y T del resto de especies.
• Sistemas de Separación Isotópica (ISS): Destilación criogénica para separar especies isotópicas.
• Sistema de Almacenamiento Temporal y Aprovisionamiento Dinámico (SDS): Almacenamiento de los productos destilados en lechos de hidruros metálicos
• Sistema de Destritiación de Efluentes (WDS): Extracción del tritio contenido en el agua procedente de los procesos de la planta de tritio
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Planta de Tritio
Sistemas de Extracción y Purificación
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FS+VV+ PVS + BF:
• Alimentación de 2 tipos: - Peripheral feed: mezcla de gases
- Deep feed: únicamente D2
• Vacuum Vessel : incluye:
• Quemado: Impuesto por tasa de quemado
• Adsorción: fracción del inventario dinámico.
• Bombeo: flujo bombeado se da como condición de contorno.
8 escenarios de alimentación al reactor considerados (razón T/D)
Sistemas de Extracción y Purificación
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TEP:
1.Permeador Frontal: se logra recuperar el 95% de las especies Q2 2.Sistema de Destritiación: Reactor catalítico + Permeador frontal con recirculación Reacciones: 3. PERMCAT: formado por
- reactor catalítico - corriente de H2 - permeador (membrana) que favorece el intercambio isotópico entre T e H
Sistemas de Extracción y Purificación
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ISS:
Sistema que combina Columnas de Destilación Criogénica con equilibradores para conseguir el grado de separación deseado.
• Columna de Destilación Criogénica: Columna de Relleno que permite la separación por diferencia de temperatura de las especies isotópicas.
• Sistemas auxiliares:
• Control: se controla el nivel en el fondo de la columna y en el tanque de cabezas modificando el flujo de salida de líquido.
• Reboiler: La corriente de líquido de colas pasa a vapor saturado
• Condenser: El vapor de cabezas se condensa como líquido saturado que se acumulará en el tanque.
Columna de destilación: datos de nº de etapas, dimensiones, ΔP, transferencia, …
Sistemas de Extracción y Purificación
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SDS:
• Columna de Adsorción: Adsorberán la especie correspondiente hasta llegar a saturación. Dos columnas en paralelo: carga/descarga
• Válvula : En función de la señal de saturación o no que llegue de cada una de las columnas, dirigirá el flujo hacia una u otra.
Se creará un sistema semejante a este para cada una de las corrientes que tengan previsto su almacenamiento en lechos de adsorción.
La descarga de los lechos, alimentará la cámara de vacío, cerrando el ciclo de la Planta de Tritio
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VV+TEP+ISS System:
Conexión de sistemas de PdT:
•Alimentación: peripheral Feed + Deep Feed
•Vacuum Vessel: Cámara de Reacción
•TEP: Permeción y reacción para extracción de isótopos
•ISS: Destilación para purificación de corrientes
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VV+TEP+ISS System:
Perfiles en TEP
Perfiles en Columna de Destilación Criogénica
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