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

Beßler, Yannick; Natour, Ghaleb; Singheiser, Lorenz

doi:10.18154/RWTH-2020-04622

Strömungsmechanische Simulation und experimentelle Validierung des kryogenen Wasserstoff-Moderators für die Europäische Spallationsneutronenquelle ESS = Fluid mechanical simulation and experimental validation of the cryogenic hydrogen-moderator for the european spallation neutron source ESS

Beßler, Yannick^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yannick Beßler

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (XXIV, 154, xxxiii Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Natour, Ghaleb (Thesis advisor)^RWTH* ; Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-04-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-04622
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/788529/files/788529.pdf

Einrichtungen

Institut für Schweißtechnische Fertigungsverfahren (417610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kryotechnik (frei) ; Neutron-Moderator (frei) ; Nukleartechnik (frei) ; Wasserstoff (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

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.

The European spallation neutron source ESS is currently under construction and should start part-load operation in 2023. With an average proton beam power of 5 MW, it will become the most powerful spallation neutron source worldwide. A key component of a spallation neutron source is the cold moderator. At the ESS, the cold moderator will be operated with liquid parahydrogen at a temperature and pressure around 20 K and 10 bar respectively and is intended to slow down (moderate) the fast neutrons, released by the spallation process, to the required low velocity level. Latest particle-transport-simulations show that the neutron yield can be increased by up to 30 % by optimizing the existing cold moderator. The present dissertation therefore examines the technical feasibility of this new moderator for full-load operation of the European spallation neutron source ESS. The primary goal is to verify whether the cold moderator can be operated at full proton beam power or up to which beam power a safe operation is possible. In addition, the feasibility from the structural mechanical and manufacturing point of view will be assessed. In order to investigate the flow behavior in the cold moderator, a numerical flow simulation was first carried out. The flow guiding has been optimized for the best possible heat transfer because the pulsed proton beam causes an enormous fluctuation in thermal load. Furthermore, sources of errors of the simulation were identified and minimized. For this purpose, the model error of the flow simulation was determined by particle image velocimetry (PIV) comparison measurements. As part of the parameter studies, it turned out that the cold moderator can only be safely operated up to a proton beam power of approx. 3.4 MW under the given requirements and with a conservative consideration of all errors. Therefore, a several additional options were shown, by which the proton beam power might be significantly increased, and the goal of 5 MW would still be possible. The structural mechanical part of this work, in which the cold moderator was designed according to the nuclear code RCC-MRx, showed that the pressure vessel withstands all static and dynamic loads. Thereby the radiation as well as all loads in normal and abnormal operation were considered. Finally, an initial prototype of the optimized cold moderator has been manufactured and tested. The joining technology for the selected aluminum alloy AW 6061-T6 was of special importance, since this alloy is generally difficult to weld. Electron beam welding was used because it leads to lowest possible distortions and minimized local heat input. Finally, non-destructive tests were carried out to confirm the high quality of the manufacturing, and thus the suitability of the cold moderator for a safe operation under the extreme operating conditions.

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