Hydrogen Inventory Simulations for PFCs (HISP)

Het open-source simulatiemodel HISP toont aan dat bakken de meest effectieve methode is om tritium uit ITER-plasma-gecontacteerde componenten te verwijderen, terwijl Glow Discharge Conditioning en lage-energie-deuteriumpulsen slechts een marginale bijdrage leveren aan de totale inventarisreductie.

De kern

De Kern: Een Digitale "Vuilnisbak" voor Kernfusie

Stel je voor dat ITER (het grote experimentele kernfusiereactorproject in Frankrijk) een gigantische, superhete oven is die energie probeert te maken door waterstofatomen aan elkaar te plakken. Om dit te doen, moet de oven extreem heet zijn, maar de wanden die de hitte bevatten (de Plasma Facing Components of PFC's) moeten koud blijven.

Het probleem? De wanden worden als een spons volgezogen met tritium (een radioactieve vorm van waterstof). Omdat tritium radioactief is en kostbaar, willen we niet dat het voor altijd in de wanden blijft zitten. We moeten het er weer uit krijgen.

HISP (Hydrogen Inventory Simulations for PFCs) is een nieuwe, gratis software die als een digitale simulator fungeert. Het is alsof je een virtuele versie van de ITER-oven bouwt op je computer om te testen: "Wat gebeurt er met de radioactieve 'vuilnis' in de wanden als we verschillende schoonmaakmethoden proberen?"

---

Hoe werkt HISP? (De "Bakjes-methode")

De wanden van ITER zijn niet egaal; ze hebben verschillende vormen en worden op verschillende plekken geraakt door het hete plasma. HISP lost dit op door de wanden op te delen in 97 kleine "bakjes" (in het Engels: bins).

• De Analogie: Denk aan een muur die je moet schilderen. Je deelt de muur niet op in één groot vlak, maar in kleine tegels. Sommige tegels krijgen veel direct zonlicht (het plasma), andere liggen in de schaduw.
• De Simulatie: HISP neemt de gegevens van het plasma (hoe heet en hoe druk het is) en verdeelt dit over deze bakjes. Dan rekent het uit hoeveel tritium in elk bakje terechtkomt, hoe diep het zakt in het materiaal (zoals wolfram of boor) en hoe lang het daar blijft hangen.

---

De Drie Schoonmaakstrategieën

De auteurs van het artikel hebben drie scenario's getest om te zien hoe je de wanden het beste kunt reinigen na een paar weken draaien.

1. Scenario A: "Niets doen"
   Je laat de reactor gewoon draaien en wacht tot de lange onderhoudsfase. Je doet niets tussendoor.
2. Scenario B: "Alleen Glow" (Glow Discharge Conditioning)
   Je gebruikt een zachte, koude plasma-stroom (zoals een neonbuis) om de wanden te "poetsen". Dit is als het afnemen van een raam met een doekje.
3. Scenario C: "Alles op alles" (De Test)
   Je combineert de zachte plasma-stroom met korte, zwakkere plasmastoten (met deuterium) om de wanden tussendoor schoon te houden, voordat je de grote schoonmaak doet.

---

De Schoonmaakmethoden in Beeld

Het artikel vergelijkt drie manieren om het tritium te verwijderen:

• Bakken (Baking):
  • Analogie: Het is alsof je de hele oven uit de grondvesten haalt en hem in een enorme droger stopt op 220°C. De hitte zorgt ervoor dat het tritium loslaat en verdampt.
  • Resultaat: Dit is veruit de meest effectieve methode. Het verwijdert bijna 88% van het tritium in de wanden en 30% in de boorlagen. Het is de "grote wasmachine" van de reactor.
• Glow Discharge (GDC):
  • Analogie: Dit is als het afnemen van de wanden met een statische doek. Het verwijdert wat vuil van de oppervlakte, maar haalt het niet diep uit de spleten.
  • Resultaat: Het werkt goed op de wanden (23% verwijdering), maar heeft weinig effect op de diepere plekken in de "divertor" (de afvoerklep van de reactor).
• Deuterium-pulsen:
  • Analogie: Je blaast een andere soort gas (deuterium) tegen de wanden, hoping dat dit het tritium "verdringt" (net als wanneer je een nieuwe geur probeert te verspreiden om een oude geur te verdringen).
  • Resultaat: Het helpt een beetje (ongeveer 10-13%), maar is niet zo krachtig als bakken.

---

De Belangrijkste Ontdekkingen

1. De "Boor-Spons" is het probleem:
   De meeste tritium zit niet in de harde metalen wanden (wolfram), maar in dunne laagjes boor die als een beschermend schild zijn aangebracht. Het is alsof je een muur hebt die bedekt is met plakband; het vuil zit in het plakband, niet in de muur. Deze boorlagen houden enorm veel tritium vast.
2. Bakken wint het:
   Omdat bakken zo effectief is, maakt het niet veel uit of je de andere methoden (Glow of Deuterium) gebruikt of niet. Of je nu "niets doet" of "alles doet", het eindresultaat na een cyclus is bijna hetzelfde. De grote schoonmaak (bakken) is zo krachtig dat de kleine tussenstappen nauwelijks verschil maken in het totaalplaatje.
3. De toekomst:
   De software HISP is nog in de "proof-of-concept" fase (een eerste versie). Het is als een schets op een napkin die laat zien dat het werkt. In de toekomst moet de software nog nauwkeuriger worden, zodat we precies kunnen voorspellen hoeveel tritium er zit en hoe we het veiligst kunnen verwijderen.

Conclusie in één zin

Deze studie toont met een nieuwe computerprogramma aan dat voor ITER het "bakken" van de reactorwanden veruit de beste manier is om radioactief tritium te verwijderen, en dat andere, kleinere schoonmaakmethoden slechts een klein extraatje zijn.

Technische samenvatting

Titel: Hydrogen Inventory Simulations for PFCs (HISP)

Auteurs: Kaelyn Dunnella et al. (MIT, ITER Organization, CEA)
Doel: Evaluatie van tritiumverwijderingsstrategieën voor ITER met behulp van een nieuwe open-source simulatietool.

---

1. Het Probleem

In kernfusiereactoren zoals ITER is het beheer van tritium (T) kritiek, zowel voor brandstofherwinning als voor radiologische veiligheid. ITER heeft een strenge limiet voor de in-vessel tritiumvoorraad (maximaal 1 kg, waarvan slechts 700 g toegestaan is voor de plasma-facing components of PFCs).

• Uitdaging: Tijdens operationele campagnes hoopt zich tritium op in de wanden en het divertor. Om veiligheidsmarges te handhaven en brandstof te recyclen, moeten verwijderingstechnieken worden toegepast.
• Kennislacune: Bestaande resultaten van kleinere toestellen (zoals JET en WEST) zijn moeilijk te extrapoleren naar ITER vanwege de verschillen in geometrie en schaal. Er is een nauwkeurig computemodel nodig om de groei van de tritiumvoorraad te voorspellen en de effectiviteit van verschillende reinigingsscenario's te evalueren.

2. Methodologie: HISP en FESTIM

De auteurs hebben HISP (Hydrogen Inventory Simulations for PFCs) ontwikkeld, een open-source tool die fungeert als brug tussen plasma-randcodes en transportmodellen.

• Workflow:

  1. Input: HISP neemt output van plasma-randcodes (zoals SOLEDGE3X-EIRENE en SOLPS-ITER) die deeltjes- en warmtestromen beschrijven.
  2. Binning (Ruimtelijke middeling): De PFC's van ITER (eerste wand en divertor) worden opgesplitst in 97 "bins" (representatieve oppervlakken). Dit houdt rekening met "natte" (bevochtigde) en "beschaduwde" gebieden, wat cruciaal is omdat beschaduwde gebieden alleen atoomflux ontvangen, terwijl natte gebieden zowel ionen- als atoomflux ontvangen.
  3. Transportmodeling: De gemiddelde waarden worden omgezet naar input voor FESTIM (een 1D-transportcode voor waterstofisotopen).
  4. FESTIM Fysica: Het model gebruikt het McNabb en Foster-model om mobiele en vastgevangen waterstofconcentraties te beschrijven. Het simuleert diffusie, opsluiting (trapping) en vrijlating (detrapping) via Arrhenius-vergelijkingen. Er worden verschillende mechanismen voor isotopenuitwisseling overwogen (thermisch, ballistisch, uitwisseling), hoewel sommige (zoals ballistisch) in deze studie beperkt worden toegepast.

• Materialen:

  • Wolfraam (W): Gebruikt voor de meeste natte delen van de eerste wand en het divertor. Het model bevat twee valsoorten (traps).
  • Boor (B): Gebruikt voor co-gedeponeerde lagen (boorlagen) die ontstaan tijdens GDC (Glow Discharge Conditioning). Het model bevat vier valsoorten met hoge atomaire fracties, wat leidt tot een hoge tritiumretentie.

• Testscenario's: Drie operationele scenario's van twee weken werden gesimuleerd:

  • Scenario A: "Niets doen" (alleen DT-pulsen en korte onderhoud).
  • Scenario B: "Alleen GDC" (Glow Discharge Conditioning tijdens onderhoud).
  • Scenario C: "Capaciteitstest" (Combinatie van GDC, lage-power deuteriumpulsen (DD) en bakken).

3. Belangrijkste Bijdragen

• Ontwikkeling van HISP: De eerste tool die plasma-code-output direct koppelt aan 1D-transportmodellen voor de volledige PFC-geometrie van ITER, inclusief complexe binnensystemen voor het onderscheiden van natte en beschaduwde zones.
• Integratie van Materialen: Een gecoördineerde simulatie van zowel wolfraam als boorlagen, waarbij rekening wordt gehouden met de specifieke valmechanismen en thermische eigenschappen van beide materialen.
• Evaluatie van Reinigingstechnieken: Een kwantitatieve vergelijking van de effectiviteit van bakken (baking), GDC en lage-power DD-pulsen in een realistisch ITER-scenario.

4. Resultaten

De simulaties na 10 dagen DT-pulsen (in een cyclus van 14 dagen) leverden de volgende inzichten op:

• Totale Voorraad: Na 10 dagen DT-pulsen bedroeg de tritiumvoorraad ongeveer 35 gram in de eerste wand en het divertor.
• Locatie van Tritium: Bijna 80% van de totale tritiumvoorraad bevond zich in de co-gedeponeerde boorlagen in het divertor, ondanks dat deze lagen dun zijn. Dit komt door de hoge concentratie valsoorten in boor vergeleken met wolfraam.
• Effectiviteit van Reiniging:
  • Bakken (Baking): De meest effectieve methode. Het verlaagde de tritiumvoorraad in wolfraam met bijna 88% (eerste wand) en 40% (divertor). Voor boorlagen was de reductie ongeveer 30%.
  • GDC: Bereikte een piekefficiëntie van 23% voor wolfraam in de eerste wand, maar had weinig effect op het divertor (0% voor W, 8% voor B) omdat GDC de gebieden met de hoogste warmtebelasting niet volledig bereikt.
  • Lage-power DD-pulsen: Toonde een reductie van ongeveer 10-13% in zowel wolfraam als boor.
• Vergelijking Scenario's: Hoewel Scenario C (met de meeste reinigingsactiviteiten) marginaal de beste resultaten liet zien, varieerden de eindvoorraden tussen de scenario's slechts met <2% voor de eerste wand en <10% voor het divertor. Dit komt doordat bakken zo dominant effectief is dat de toevoeging van GDC of DD-pulsen de einduitslag niet significant veranderde.
• Beperkingen: De simulatie toonde aan dat hoge-energie valsoorten in boor (Trap 4) moeilijk te verwijderen zijn met de huidige baktemperaturen, wat suggereert dat hogere temperaturen nodig zouden kunnen zijn voor volledige reiniging.

5. Betekenis en Conclusie

• Beleid en Veiligheid: De studie bevestigt dat boorco-deposities een kritieke bron van tritiumretentie zijn in ITER. Zonder effectieve verwijdering van deze lagen kan de tritiumlimiet van ITER snel worden overschreden.
• Reinigingsstrategie: Bakken blijft de "gouden standaard" voor tritiumverwijdering in ITER. Andere methoden zoals GDC en DD-pulsen zijn nuttig als aanvulling, maar hebben zonder bakken een beperkt effect op de totale voorraad.
• Toekomstige Werk: HISP bevindt zich nog in een "proof-of-concept"-fase. Toekomstige verbeteringen omvatten het meenemen van onzekerheidsanalyse (van plasma-codes en materiaaleigenschappen), uitbreiding naar multi-dimensionale modellen, en optimalisatie van baktemperaturen.
• Algemene Conclusie: HISP biedt een waardevol instrument om operationele campagnes te plannen en aan te tonen dat ITER kan voldoen aan strenge veiligheidsregels voor tritiumvoorraad, mits bakken correct wordt ingezet.