Sizing of a recuperative supercritical CO2 Brayton cycle as power conversion system for DEMO fusion reactor based on Dual Coolant Lithium Lead blanket

Abstract

Se analiza un ciclo termodinámico regenerativo con CO2 supercrítico modificado. Se emplea una disposición con solo un recuperador debido a la relativa baja temperatura de los refrigerantes de la envoltura regeneradora. El ciclo propuesto es capaz de integrar varias fuentes térmicas con diferentes rangos de temperatura e incluye dos clases de almacenamiento térmico para superar la operación pulsada: un almacenamiento de dos tanques de sales fundidas y un almacenamiento en hormigón. El punto nominal de la planta se obtiene empleando el entorno Engineering Equation Solver (EES), que permite emplear modelos de sustancia pura para el CO2, helio y agua. Una vez se ha calculado el punto nominal se lleva a cabo el dimensionado de tuberías, intercambiadores, turbomáquinas y sistemas de almacenamiento con objeto de obtener una primera estimación de la disposición y su complejidad. Así, el sistema de conversión de potencia se ha dividido en cuatro partes iguales para utilizar diámetros comerciales en las tuberías. Incluso empleando intercambiadores de calor de circuito impreso (PCHE), se han obtenido tamaños extremadamente grandes, especialmente en el recuperador HTR. Estos tamaños contrastan con los pequeños valores obtenidos para las turbomáquinas, cuyo diseño preliminar se ha llevado a cabo usando AXIAL, un software de diseño mediante línea media. Adicionalmente, los dos intercambiadores de calor más grandes se han dividido en configuraciones serie y paralelo para reducir la huella horizontal de la disposición. Se ha alcanzado una eficiencia eléctrica media (incluyendo la operación en pulso y en vacío) del 28,25%. La masa requerida de sales fundidas para cada subsistema conversor de potencia es de 2.568 toneladas, mientras que la masa de hormigón es de 833 toneladas. Respecto a la huella horizontal de la disposición, se requieren 85 x 170 m2 para cada subsistema de conversión de potencia, incluidos los almacenamientos térmicos.

A modified recuperative supercritical CO2 cycle for DEMO fusion reactor is analysed. A layout with just one recuperator is used, because of the relatively low temperature of the breeding blanket coolants. The proposed cycle is able to integrate several thermal sources with different temperature ranges and includes two kinds of thermal energy storage to overcome the pulse operation: a two-tank molten salt storage and a concrete storage. The design point is obtained using the Engineering Equation Solver (EES) environment, which allows to use pure substance models for CO2, helium and water. Once the design point is calculated, the sizing of pipes, heat exchangers, turbomachines and energy storage systems has been performed in order to obtain a preliminary estimation of the layout and its complexity. So, the power conversion system has been split into four equal parts in order to use commercial pipe diameters. Even though Printed Circuit Heat Exchangers (PCHE) have been used, extremely large sizes have been obtained, especially for the HTR recuperator. These sizes contrast with the small values obtained for the turbomachines, whose preliminary design has been carried out, using the AXIAL meanline design software. In addition, the two largest heat exchangers are divided into serial and parallel configurations when assessing the allocation of the components of the power conversion system to reduce the footprint. An average electric efficiency (including pulse and dwell period) of 28.25% has been reached. The required mass of molten salt per each power conversion subsystem is 2,568 tonnes, while the mass of concrete is 833 tonnes. Regarding the footprint, 85 x 170 m2 are required for each power conversion subsystem, including the storage systems.