Techno-economic feasibility analysis of Brayton supercritical CO2 power cycles as power conversion system for fusion reactors based on HCPB blanket

Abstract

El presente trabajo analiza la viabilidad técnico económica de ciclos de potencia de CO2 supercrítico como sistema de conversión de potencia para integrar unas fuentes térmicas de un reactor nuclear de fusión. Después de proporcionar un breve resumen del panorama energético actual, la energía nuclear todavía juega un papel importante en el mix energético. Algunas organizaciones europeas como EUROfusion promueve la investigación de una nueva forma de energía nuclear: la energía de nuclear de fusión. El objetivo de este proyecto es ofrecer apoyo a EUROfusion en el estudio de la viabilidad de la implementación de CO2 supercrítico como sistema de conversión de potencia para el proyecto DEMO de un reactor nuclear. Las particularidades a la hora de integrar de las diferentes e intermitentes fuentes térmicas se han descrito. Para superar este obstáculo, se estudia la posibilidad de incorporar sistemas de almacenamiento térmico dependiendo de las condiciones de operación de las fuentes. Se asigna almacenamiento en hormigón a baja temperatura y sales fundidas en media- alta. Lamentablemente, no se ha podido confirmar la viabilidad del hormigón como almacenamiento debido a la gran diferencia temporal entre las etapas de carga y descarga. Más adelante, se ha simulado el diseño de la planta alcanzando un rendimiento eléctrico promedio de 33.93% y una potencia bruta en la fase de carga de 895.632MW. Además, se ha diseñado un total de seis intercambiadores de circuito impreso considerando las condiciones de fabricación de Heatric. También ha sido necesario diseñar cada tubería del ciclo siguiendo los criterios de máxima velocidad y pérdida de carga. Finalmente, se ofrece una estimación global de los costes de inversión del ciclo de potencia y almacenamiento. Resultando en unos costes de compra de equipos de 251.11M$ y costes instalados de 549.30M$.

The present work analyzes the technical and economic feasibility of supercritical CO2 power cycles as an alternative for power conversion system (PCS) of the thermal sources of a nuclear fusion reactor. After providing a brief summary of the current energy framework, still nuclear energy is playing a relevant role in the energy mix share. Some European organizations such as EUROfusion promotes the research of a new form of nuclear energy: nuclear fusion. The aim of this project was to offer support to EUROfusion in the assessment of the feasibility of implementing a supercritical CO2 power conversion cycle for the DEMO’s project fusion nuclear reactor. The particularities of the different thermal sources to integrate with their intermittent operation have been described. In order to deal with this challenge, this work assesses the possibility of implementing different thermal energy storage (TES) systems depending on the operation conditions of each source. So, concrete TES for low-temperature sources and molten salt TES for intermediate and high-temperature sources have been assessed. Unfortunately, it could not be confirmed the feasibility of the concrete because of the high time difference between changing and discharging stages. Taking these considerations into account, it has been simulated the layout design achieving a 33.93 % average electric efficiency and 895.632 MW of gross power at the pulse stage. Moreover, it has been sized a total of six printed circuit heat exchangers attending to Heatric manufacturing restrictions. In order to perform this activity, it was also necessary to size every pipe within the cycle attending to the maximum velocity and maximum pressure drop criterion. Finally, it was given an overview of the possible investment estimation of the PCS along with the thermal storage. It ended up reaching a purchase equipment cost of 251.11 M$ and on-site costs of 549.30 M$.