Sistema alternativo de conversión de potencia para el reactor de fusión nuclear DEMO basado en ciclos de potencia Brayton con CO2 supercrítico.

Abstract

La generación de energía eléctrica mediante fusión nuclear ha sido uno de los desafíos técnicos más importantes de los últimos años. Esta requiere el uso de temperaturas muy altas, por lo que se estudiado como adaptar la tecnología existente a los requisitos que esta plantea. Para ello, se creó el proyecto EUROfusion, el cual pretende crear un reactor de fusión funcional con el que generar energía eléctrica. Este Trabajo de Fin de Máster se encuentra integrado en este proyecto y continúa el trabajo realizado en 2018. Con él se pretende crear una propuesta de ciclo de potencia que sea capaz de funcionar con el reactor de fusión. Para ello, se ha desarrollado un modelo de ciclo de potencia adaptado a las condiciones de funcionamiento pulsante del reactor, el cual consiste en un ciclo de potencia principal con CO2 que obtiene calor a partir de circuitos intermedios de sales fundidas y agua situados entre él y el reactor. Dado que el reactor funciona durante 120 minutos (periodo pulse) y después es parado 10 minutos (periodo dwell), el ciclo debe almacenar parte de la energía generada durante el primer periodo, para emplearla durante el segundo y mantener así una producción de energía constante. Para ello, se ha propuesto como solución un sistema de almacenamiento de calor mediante sales fundidas situado en los circuitos intermedios. Este proyecto soluciona el problema que tenía el de 2018, consistente en que en los intercambiadores de circuito impreso (PCHE) las sales fundidas causaban obstrucciones en los canales de estos, por lo que se ha modificado el ciclo para usar intercambiadores de carcasa y tubos (STHE) con la sal circulando por la carcasa en su lugar. Se han desarrollado varias propuestas de ciclo de potencia, de las cuales se ha elegido la más eficiente. Para la solución elegida se han dimensionado todos los componentes principales del ciclo (intercambiadores, tuberías y turbomáquinas). Finalmente, se ha calculado el coste de la inversión del proyecto para comprobar su viabilidad económica.

The generation of electrical power using nuclear fusion has been one of the most important technical challenges of the last years. Fusion requires using very high temperatures, so it has been studied how to adapt the existing technology to the requirements that it presents. For that, EUROfusion project was created. It pretends to create a fully functional fusion reactor for electrical power generation. This Master Thesis is integrated within this project and continues the work of 2018. This project has the objective to create a power cycle proposal capable of working with the fusion reactor. Therefore, a power cycle model adapted to the pulsating working conditions of the reactor has been developed, which consists in a main power CO2 cycle that obtains heat from intermediate water and molten salt cycles located between the it and the reactor. As this reactor works for 120 minutes (pulse period) and then it is shut down for 10 minutes (dwell period), the cycle has to store a part of the generated energy during the first period, so it can be used during the second and a constant energy production can be maintained. As a result, a heat storage solution based on molten salts placed in the intermediate cycles has been proposed. This project solves the problem that the 2018 project had, which consisted on the obstruction of the printed circuit heat exchangers (PCHE) tube channels caused by the salts. Therefore, the cycle was modified for using shell and tube heat exchangers (STHE) instead, with the molten salts circulating through the shell. Several power cycle proposals have been developed, of which the most efficient has been chosen. For the chosen solution, the main components of the cycle have been sized (heat exchangers, pipelines and turbomachines). Finally, the project investment cost has been calculated to check its economical viability.