Dynamic analysis of the ITER Fast-Ion Loss Detector

Abstract

La sociedad se enfrenta en nuestros días a la búsqueda de una fuente de energía limpia y fiable con la que superar la actual dependencia de los combustibles fósiles. En este sentido, la energía producida por el Sol ha despertado el interés de la comunidad científica. Desde mediados del siglo pasado, muchos han sido los avances en el campo de la fusión nuclear. No obstante, para demostrar su viabilidad técnica y económica es necesaria una apuesta sin precedentes. La Unión Europea, China, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y los Estados Unidos cooperan en la construcción del reactor de fusión nuclear ITER, que va a suponer un auténtico hito en la historia de la humanidad. Desde un punto de vista ingenieril, una organización suficientemente robusta entre los distintos miembros es clave para garantizar un alto nivel de seguridad, siendo indispensable estructurar el trabajo y seguir un proceso de diseño estandarizado. Dentro de la estructura del proyecto se encuentra el sistema de diagnósticos. Estos diagnósticos juegan un papel esencial en la investigación de la fusión nuclear. En particular, uno de esos diagnósticos es el Detector de Pérdidas de Iones Rápidos (FILD), que proporciona información relevante acerca de la eficiencia de la reacción nuclear y del posible daño que se produce en las paredes del interior del reactor. A día de hoy, el diseño del FILD de ITER se encuentra aún en una fase conceptual, si bien encara la preparación para la revisión antes de pasar a la siguiente fase de diseño. Durante esa revisión, un equipo multidisciplinar de ITER evaluará el cumplimiento de los requerimientos del diseño conceptual propuesto. Para ello, es necesaria la entrega, en plazo y formas adecuados, de la documentación que lo justifica. El presente trabajo fin de grado ha tenido por objeto investigar y reunir todas las herramientas requeridas para realizar el análisis dinámico del FILD de ITER, cuyos resultados habrá que recoger debidamente en un informe entregable junto con el resto de la documentación exigida antes de la revisión del diseño. Puesto que el estado exigido para la revisión conceptual de ese informe es preliminar, no se ha buscado obtener unos resultados definitivos. Más bien, se ha pretendido entender a fondo las particularidades de este tipo de análisis, siguiendo las directrices propuestas por la Organización de ITER. En particular, el estudio dinámico del FILD de ITER se ha llevado a cabo mediante un análisis de espectro de respuesta, un método ampliamente utilizado en la industria nuclear por su sencillez y rapidez a la hora de obtener resultados conservadores. Aunque el análisis de espectro de respuesta se ha realizado con la ayuda del paquete ANSYS, ha sido crucial entender desde un punto de vista teórico el problema; en concreto, entender bien los sistemas de un grado de libertad, puesto que el estudio de los sitemas de N grados de libertad puede reducirse al estudio de N sistemas de un grado de libertad por medio de la técnica de superposición modal. Finalmente, se han obtenido unos resultados interesantes para un modelo de FILD ligeramente distinto, con un punto de apoyo que no estaría en la realidad, pero que ha sido necesario usarlo teniendo en cuenta la linealidad del análisis usado y el estado prematuro del diseño mecánico empleado.

Nowadays, the society faces the search for a reliable environmentally-friendly energy source in order to overcome the current dependency on the fossil fuels. In this way, the energy released by the Sun has awakened interest in the scientific community. Since the middle of the 20th century, there have been a lot of breakthroughs in the field of nuclear fusion. However, an unprecedented investment is necessary to prove the technical and economic feasibility of fusion power. The EU, China, India, Japan, South Korea, the Russian Federation and the USA are collaborating in the construction of the ITER nuclear fusion reactor, which will mark a milestone in the history of humanity. From the point of view of engineering, a sufficiently robust organization among the different members is key to ensure a high safety level, being indispensable to structure the work and to follow a standardized design process. Inside the project structure, the diagnostics system is found. These diagnostics play an essential part in the nuclear fusion research. In particular, one of those diagnostics is the Fast-Ion Loss Detector (FILD), which provides important information about the nuclear reaction efficiency and the possible damage to the inner walls of the reactor. As of today, the ITER FILD design is still at a conceptual stage, but it faces the preparation for the previous review to go ahead until the next design phase. During this review, a multidisciplinary team from ITER will assess the compliance of the conceptual design proposed with the requirements. For that reason, it will be required to properly deliver the documentation that justifies it. The aim of the present final project has been to study and collect all the tools needed to perform a dynamic analysis of the ITER FILD, whose results will have to be appropiately included in a deliverable together with the rest of documentation demanded before the design review. Since the state that is required for the conceptual review is preliminar, the goal has not been to obtain definite results. On the contrary, the scope of this work has been limited by the well understanding of this type of analysis, following the guidelines proposed by ITER Organization. In particular, the dynamic study of ITER FILD has been carried out by means of a response spectrum analysis, a method widely used by the nuclear industry because of its simplicity and rapidity in obtaining conservative results. Even though the response spectrum analysis has been performed with the help of the ANSYS package, it has been crutial to understand the problem from a theoretical point of view; specifically, to well understand the single degree-of-freedom systems, since the study of the N degree-of-freedom systems can be reduced to the study of N single degree-of-freedom systems by using the modal superposition technique. Finally, some interesting results have been obtained for a slightly different FILD model, with a support point that would not exist in reality, but that has been necessary taking into consideration that the analysis used is linear by nature and because of the premature state of the mechanical design used.