Thermal Discrete Element Analysis of EU Solid Breeder Blanket Subjected to Neutron Irradiation

Analyse thermique par éléments discrets de la couche de base de sélectionneur solide de l'UE soumise à une irradiation aux neutrons

Yixiang Gan (1) , Francisco Hernandez (2) , Dorian Hanaor (3) , Ratna Annabattula (4) , Marc Kamlah (2) , Pavel Pereslavtsev (2)

1 The University of Sydney
2 KIT - Karlsruhe Institute of Technology
3 TU - Technical University of Berlin / Technische Universität Berlin
4 IIT Madras - Indian Institute of Technology Madras

Due to neutron irradiation, solid breeder blankets are subjected to complex thermo-mechanical conditions. Within one breeder unit, the ceramic breeder bed is composed of spherical-shaped lithium orthosilicate pebbles, and as a type of granular material, it exhibits strong coupling between temperature and stress fields. In this paper, we study these thermo-mechanical problems by developing a thermal discrete element method (Thermal-DEM). This proposed simulation tool models each individual ceramic pebble as one element and considers grain-scale thermo-mechanical interactions between elements. A small section of solid breeder pebble bed in HCPB is modelled using thousands of individual pebbles and subjected to volumetric heating profiles calculated from neutronics under ITER-relevant conditions. We consider heat transfer at the grain-scale between pebbles through both solid-to-solid contacts and the interstitial gas phase, and we calculate stresses arising from thermal expansion of pebbles. The overall effective conductivity of the bed depends on the resulting compressive stress state during the neutronic heating. The thermal-DEM method proposed in this study provides the access to the grain-scale information, which is beneficial for HCPB design and breeder material optimization, and a better understanding of overall thermo-mechanical responses of the breeder units under fusion-relevant conditions. https://doi.org/10.13182/FST13-727

En raison de l'irradiation aux neutrons, les blanchets solides sont soumis à des conditions thermomécaniques complexes. Dans une unité de reproduction, le lit de reproduction en céramique est composé de galets d’orthosilicate de lithium de forme sphérique et, en tant que type de matériau granulaire, il présente un fort couplage entre les champs de température et de contrainte. Dans cet article, nous étudions ces problèmes thermo-mécaniques en développant une méthode par éléments discrets thermiques (Thermal-DEM). L'outil de simulation proposé modélise chaque galet céramique individuel comme un seul élément et prend en compte les interactions thermo-mécaniques à l'échelle du grain entre les éléments. Une petite section de lit de galets nicheurs solides dans HCPB est modélisée à l'aide de milliers de galets individuels et soumise à des profils de chauffage volumétriques calculés à partir de la neutronique dans des conditions pertinentes pour ITER. Nous considérons le transfert de chaleur à la granulométrie entre les cailloux par les contacts solides-solides et la phase gazeuse interstitielle, et nous calculons les contraintes résultant de la dilatation thermique des cailloux. La conductivité effective globale du lit dépend de l'état de contrainte en compression résultant du chauffage neutronique. La méthode DEM thermique proposée dans cette étude permet d'accéder aux informations à l'échelle du grain, ce qui est bénéfique pour l'optimisation de la conception et du matériau de sélection du HCPB, ainsi que pour une meilleure compréhension des réponses thermo-mécaniques globales des unités de reproduction dans des conditions propres à la fusion. https://doi.org/10.13182/FST13-727

Mots clés: tritium breeding materials; test blanket module; discrete element method; Thermo-mechanical analysis; neutron heating; granular material

Domaines: Mécanique des matériaux [physics.class-ph]; Génie civil nucléaire; Sciences de l'ingénieur [physics]; Physique [physics]

Yixiang Gan, Francisco Hernandez, Dorian Hanaor, Ratna Annabattula, Marc Kamlah, et al.. Thermal Discrete Element Analysis of EU Solid Breeder Blanket Subjected to Neutron Irradiation. Fusion Science and Technology, 2017, 66 (1), pp.83-90. ⟨10.13182/FST13-727⟩. ⟨hal-02356062⟩