Strömungsmechanische Simulation und experimentelle Validierung des kryogenen Wasserstoff-Moderators für die Europäische Spallationsneutronenquelle ESS

Aachen (2020) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (XXIV, 154, xxxiii Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Die europäische Spallationsneutronenquelle ESS befindet sich gegenwärtig in der Bauphase und soll ab 2023 den Teillastbetrieb aufnehmen. Sie wird mit einer mittleren Protonenstrahlleistung von 5 MW die leistungsstärkste Spallationsneutronenquelle weltweit werden. Eine Schlüsselkomponente einer Spallationsneutronenquelle ist der kalte Moderator. Dieser wird bei der ESS mit flüssigem para-Wasserstoff, bei etwa 20 K Temperatur und 10 bar Druck, betrieben und soll die durch die Spallation freigewordenen schnellen Neutronen auf das geforderte niedrige Geschwindigkeitsniveau abbremsen (moderieren). Aktuelle Teilchen-Transport-Simulationen zeigen, dass die Neutronenausbeute durch Optimierungen des bestehenden kalten Moderators um bis zu 30 % erhöht werden kann. In der vorliegenden Dissertation wird daher die ingenieurtechnische Umsetzbarkeit dieses neuartigen Moderators für den Volllastbetrieb der europäischen Spallationsneutronenquelle ESS untersucht. Das primäre Ziel ist dabei zu prüfen, ob der kalte Moderator bei voller Protonenstrahlleistung betrieben werden kann bzw. bis zu welcher Strahlleistung ein sicherer Betrieb noch möglich ist. Darüber hinaus wird die Machbarkeit aus strukturmechanischer und fertigungstechnischer Sicht bewertet. Um das Strömungsverhalten im kalten Moderator zu untersuchen wurde zunächst eine numerische Strömungssimulation durchgeführt. Die Strömungsführung wurde hierbei für einen bestmöglichen Wärmeübergang optimiert, da der gepulste Protonenstrahl eine enorme wechselnde thermische Belastung verursacht. Ferner wurden Fehlerquellen der Simulation identifiziert und minimiert. Dafür wurde unter anderem der Modellfehler der Strömungssimulation mittels Particle Image Velocimetry (PIV) Vergleichsmessungen ermittelt. Im Rahmen der Parameterstudien stellte sich heraus, dass der kalte Moderator unter den gegebenen Anforderungen und bei einer konservativen Berücksichtigung aller Fehlergrößen nur bis zu einer Strahlleistung von ca. 3,4 MW sicher betrieben werden kann. Daher wurden zusätzlich einige Möglichkeiten aufgezeigt, womit die Protonenstrahlleistung noch erheblich erhöht werden könnte und somit die Zielvorgabe von 5 MW weiterhin möglich wäre. Der strukturmechanische Teil dieser Arbeit, in dem die Auslegung des kalten Moderators nach dem Nuklearcode RCC-MRx erfolgte, zeigte hingegen, dass der Druckbehälter allen statischen und dynamischen Lasten standhält. Hierbei wurden die Bestrahlung sowie alle auftretenden Lastzustände im Normalbetrieb und bei außerordentlichen Betriebsbedingungen berücksichtigt. Abschließend wurde ein erster Prototype des optimierten Moderators gefertigt und erprobt. Dabei kam dem Fügen der eingesetzten Aluminiumlegierung AW 6061-T6 eine besondere Bedeutung zu, da diese Legierung im Allgemeinen als schwer schweißbar gilt. Zum Einsatz kam das Elektronenstrahlschweißen, wodurch verzugsarm und bei minimalem Wärmeeintrag geschweißt werden konnte. Die abschließend durchgeführten zerstörungsfreien Prüfungen bestätigten die hohe Qualität der Fertigung und dadurch die Eignung des Moderators für den sicheren Betrieb unter den extremen Einsatzbedingungen.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Beßler, Yannick

Gutachterinnen und Gutachter

Natour, Ghaleb
Singheiser, Lorenz

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2020-04622

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