Superkomputer: Applications

Europejska Mapa Drogowa Fuzji przewiduje rozpoczęcie produkcji sieciowej energii elektrycznej uzyskanej z fuzji jądrowej około połowy obecnego wieku. Plan ten, w części krótkoterminowej, obejmuje budowę oraz uruchomienie Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termonuklearnego (ITER). W perspektywie długoterminowej, po osiągnięciu pełnej wydajności reaktora ITER, prace badawczo – rozwojowe prowadzone w ramach jego harmonogramu mają przyczynić się do powstania pierwszej elektrowni termojądrowej. Równolegle do budowy tokamaka ITER, trwają prace nad projektem koncepcyjnym pierwszej elektrowni termojądrowej określanej mianem EU-DEMO (EUropean DEMOnstration Fusion Power Plant). Przewiduje się, że tokamak ITER przy osiągnięciu pełnej wydajności będzie generował moc termojądrową dziesięciokrotnie większą od mocy dostarczanej w celu ogrzania plazmy, natomiast zadaniem DEMO będzie produkcja energii elektrycznej z reakcji termojądrowej na poziomie kilkuset MWe w zamkniętym cyklu paliwowym trytu. Gorąca plazma w tokamakach ITER i EU-DEMO utrzymywana będzie dzięki systemowi magnesów nadprzewodnikowych. Aktualnie trwają prace nad projektami cewek dla reaktora EU-DEMO, w które zaangażowane są zespoły międzynarodowe: Italian National Agency for New Technologies (ENEA Frascati, Włochy), École Polytechnique Fédérale de Lausanne Swiss Plasma Center (EPFL – SPC, Szwajcaria), The French Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA, Francja) oraz Karlsruhe Institute of Technology Institute for Technical Physics (KIT, Niemcy). Projekty uzwojeń EU-DEMO proponowane przez te zespoły są poddawane kompleksowym analizom: mechanicznym, elektromagnetycznym oraz cieplno-przepływowym.
Wiele prototypów konstrukcji kabli, a także ich elementów (głównie kanały, którymi przepływa chłodziwo) projektowanych dla reaktora EU-DEMO nie było dotąd badane pod kątem charakterystyk oporu hydraulicznego. Testy hydrauliczne kabli nadprzewodnikowych prowadzane w celu wyznaczenia korelacji opisujących współczynnik oporu hydraulicznego, polegają na pomiarze spadku ciśnienia na jednostkę długości kabla w funkcji strumienia masy przepływającego czynnika. W Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie zbudowane zostało stanowisko THETIS do pomiarów cieplno – przepływowych kabli nadprzewodnikowych. W latach 2019 – 2020 przeprowadzono testy próbek wykonanych na wzór konstrukcji kabli nadprzewodnikowych typu HTS (kable zbudowane z nadprzewodników wysokotemperaturowych, ang. high temperature superconductors) projektowanych dla reaktora EU-DEMO lub dla planowanego eksperymentu (Winding Demonstrator). Kable HTS projektowane na potrzeby projektu Winding Demonstrator (WD), a także dla cewek CS oraz TF reaktora EU - DEMO składają się z kilku żył Croco (ang. Cross-Conductor) lub bazujących na koncepcji RSCCCT (ang. Round Strands Composed of Coated Conductor Tapes), skręconych wokół miedzianego rdzenia oraz zamkniętych w płaszczu ze stali nierdzewnej, który wydziela kanał przepływu chłodziwa.
Rzetelna ocena istniejącej korelacji lub opracowanie nowej korelacji mają miejsce wówczas, gdy dostępne są dane eksperymentalne współczynnika oporu w szerokim zakresie liczby Reynoldsa. Dane eksperymentalne spadku ciśnienia na jednostkę długości kabla w funkcji strumienia masy przepływającego czynnika uzyskane na instalacji THETIS pozwalają na opracowanie korelacji dla współczynnika oporu hydraulicznego w ograniczonym zakresie liczby Reynoldsa.
W ramach grantu obliczeniowego planowane jest stworzenie modelu pojedynczego kanału przepływu chłodziwa kabla HTS (konstrukcja zaproponowana przez zespół badawczy z Karlsruhe Institute of Technology, Eggenstein-Leopoldshafen, Niemcy). W kolejnym etapie planowana jest symulacja przepływu chłodziwa w kanale w celu badania spadku ciśnienia na jednostkę długości kanału z zastosowaniem metody CFD (Computional Fluid Dynamics) w środowisku symulacyjnym ANSYS. Uzyskane wyniki symulacji numerycznej zostaną porównane z wynikami testów hydraulicznych uzyskanych dla próbki kabla. Następna część prac dotyczyć będzie symulacji przepływu w kanale dla większych prędkości przepływu czynnika, w celu oszacowania współczynnika oporu hydraulicznego w szerszym zakresie liczby Re.