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AbstractAbstract
[en] Since the industrial revolution, global energy consumption has steadily increased. Historically based on the use of fossil fuels (oil, coal and gas), industrial development allowed the economic growth of the world as we know today. However, the intensive use of such fuels is undoubtedly not without consequences on our planet. The current exploitation methods contribute, for instance to global warming, plastic pollution and ocean acidification. The current energy context requires the development of alternative, sustainable and safe energies. The thermonuclear fusion reaction could become one of these new energy sources and may play a major role in the future global energy mix. Plasma facing components must ensure the mechanical integrity of the fusion device internal walls, the extraction of heat and must be compatible with the chemical species present in the plasma to not compromise its exploitation. Critical for the plasma operation and the reactor integrity, these components represent one of the major reactor parts. ITER and WEST divertor components can be exposed to particles fluxes up to 20 MW/m2. To withstand such loading, these components are actively cooled. They are made of pure tungsten used as armored material bonded on water cooled pipe in CuCrZr (structural material). Several experimental campaigns have been performed to validate such components technology before their use in tokamak environment. Although this technology fulfills ITER's requirements, damages were highlighted over thermal cycles. Cracks appear in tungsten block up to few tens (up to few hundreds) of thermal cycles at 20 MW/m2 and propagate from the exposed surface to the cooling pipe. The appearance of this crack, does not immediately affect the component heat exhaust capability. Nevertheless, this leads to mechanical integrity issues for the machine internal walls and could limit the plasma operation. To optimize the components use, this thesis aims at predicting numerically their lifetime. The time required for the crack opening corresponds to the component lifetime. In literature, several numerical models were developed and identified the major phenomena involved in the component damage process. To improve the prediction of existing numerical tools, this thesis aims at developing a numerical model able to take into account tungsten recrystallization; mentioned in the literature as having significant role on component lifetime. The final numerical model developed (RXMAT) is integrated in the finite elements code named ANSYS. This new numerical tool is fueled by the tungsten recrystallization kinetics studied up to 1800 C and the elastic-viscoplastic constitutive laws of tungsten and recrystallized tungsten identified based on experiments performed from 500 C to 1150 C at several strain rates. For the first time, it is possible to numerically link the evolution of the tungsten recrystallized fraction to a mechanical stress and strain fields. It is shown that RXMAT makes it possible to estimate plastic strains 10 times greater than those obtained in the literature. By doing so, first numerical results also highlighted that further experiments have to be done to study the ductile to fragile transition temperature and fatigue behavior of tungsten. In perspectives, RXMAT can be used to study the component lifetime exposed to non-homogeneous thermal flux, representative of the tokamak environment and also study the impact of tungsten recrystallization kinetics, component geometry and convection parameters on its lifetime. (author)
[fr]
Les reacteurs de fusion thermonucleaire proposent de confiner magnetiquement un plasma dans le but d'obtenir les conditions de pression et de temperature favorables a la reaction de fusion pour produire de l'electricite en 'quasi-continu'. Cependant, le confinement est imparfait et, en raison de la configuration magnetique, les pertes d'energetiques sont dirigees vers les parois internes du reacteur, appelees composants a face de plasma (CFPs), et en particulier dans la partie inferieure de la machine appelee divertor. Pour ITER, ces flux de particules peuvent impliquer une temperature de surface des CFPs de l'ordre de 2000 C cycliquement maintenue pendant des temps allant de quelques millisecondes a quelques secondes. Pour resister a de telles sollicitations, les CFPs des divertors ITER et WEST sont constitues de blocs de tungstene (W) pur utilise comme materiau d'armure et assembles sur un tube de refroidissement en CuCrZr (materiau de structure) dans lequel circule de l'eau. Ces CPFs doivent assurer l'integrite mecanique des parois internes de la machine, l'extraction de la chaleur et doivent etre compatibles avec les especes chimiques en presence au sein du plasma pour ne pas compromettre son exploitation. Critique pour le fonctionnement du plasma et l'integrite du reacteur, ces CFPs representent l'une des principales pieces du reacteur. Ainsi, plusieurs campagnes experimentales ont ete realisees pour valider cette technologie avant son exploitation en l'environnement tokamak. Bien que cette technologie reponde aux specifications ITER, les composants s'endommagent au cours des cycles thermiques. Des fissures apparaissent dans le bloc de W apres quelques dizaines (voire quelques centaines) de cycles thermiques a 20 MW/m2. Cette fissure se propage de la surface exposee aux flux vers le tube de refroidissement. L'apparition de cette fissure n'affecte pas immediatement la capacite du composant a extraire la chaleur. Neanmoins, cela entraine des problemes d'integrite mecanique des parois internes de la machine et pourrait limiter l'exploitation du plasma. Ainsi, afin d'optimiser leur usage en environnement tokamak, il est necessaire d'etudier le processus d'endommagement de ces composants et d'estimer leur duree de vie en fonction des chargements thermiques attendus. Dans la litterature, plusieurs modeles numeriques ont ete developpes et ont permis d'identifier les principaux phenomenes impliques dans le processus d'endommagement des composants. Pour ameliorer la prediction des outils numeriques existants, cette these a pour objectif de developper un modele numerique capable de prendre en compte la recristallisation du W; phenomene mentionne dans la litterature comme jouant un role important sur la duree de vie des composants. Le modele numerique final developpe (RXMAT) est integre au code elements finis ANSYS. Ce nouvel outil numerique est alimente par les cinetiques de recristallisation du W etudiees jusqu'a 1800 C et par les lois de comportement elasto-viscoplastique du materiau identifiees a partir d'essais experimentaux realises de 500 C a 1150 C et a plusieurs vitesses de deformation. Pour la premiere fois, il est possible de lier numeriquement l'evolution de la fraction recristallisee du W a un champ de contraintes et de deformations mecaniques. En comparant les resultats obtenus avec des etudes de la litterature, on montre qu'en utilisant RXMAT des deformations plastiques equivalentes 10 fois superieures sont estimees. Ces premiers resultats laissent envisager de nombreuses applications. Celles-ci permettraient par exemple de mieux comprendre l'influence de la geometrie, des proprietes de convection et des cinetiques de recristallisation sur l'accumulation de la deformation plastique equivalente au sein du composant. RXMAT pourrait egalement etre utilisee pour etudier le processus d'endommagement du composant expose a un flux thermique non homogene, representatif de l'environnement du tokamak.Original Title
Modelisation de la duree de vie de composants face au plasma dans les reacteurs a fusion thermonucleaire
Primary Subject
Source
4 Dec 2019; 208 p; 104 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Mecanique et Ingenierie
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
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