ITER VACUUM VESSEL FINITE ELEMENT ANALYSIS

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1 ITER VACUUM VESSEL FINITE ELEMENT ANALYSIS Autor: Fernández Vázquez del Mercado, Francisco. Director: Lucas Torralba, Julio. Entidad colaboradora: Elytt Energy. RESÚMEN DEL PROYECTO 1.- Introducción ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), es un proyecto de investigación internacional que pretende aunar fuerzas para lograr producir energía a través de la fusión nuclear. Esta energía es interesante porque cuenta con distintas ventajas, es no contaminante (sin emisiones de CO 2 ) y no produce desechos de larga duración como en el caso de las centrales de fisión nuclear. ITER supone un desafío ingenieril dadas las dimensiones de la máquina y las condiciones críticas a las que se ve expuesta. Dentro de la máquina existen distintos componentes encargados de diversas tareas, uno de los componentes críticos es la vasija de vacío (Vacuum Vessel), antes de ser fabricada ha de estar correctamente diseñada calculando todos los esfuerzos a los que puede estar sometida.. Este proyecto trata de calcular los esfuerzos primarios que se producen en la vasija de vacío durante el funcionamiento del reactor, contemplando diversas anomalías tales como terremotos, descargas de las bobinas superconductoras, descarga del plasma, etc.. A continuación se explican más detalladamente las fases del proyecto. 2.- Geometría Inicial La vasija de vacío es un componente de geometría toroidal dividida en nueve sectores toroidales (40º toroidales cada uno), varios de los cuales tienen una geometría irregular (no obedece al patrón geométrico de los otros ocho). El cliente aporta en archivo CATIA TM la geometría que ha de mallarse. En este proyecto se aportó la geometría del sector poloidal 3 que se muestra en la Figura Mallado del Sector Poloidal Irregular 3 Una vez recibida la geometría se prepara para ser mallada, es decir se quitan redondeos, chaflanes y agujeros que puedan dificultar las tareas de mallado, pero sin que distorsionen los resultados del análisis, a continuación se divide la geometría en formas

2 paralelepipédicas. Se ha de proceder de esta forma para conseguir en el mallado elementos hexaédricos (exigencia del cliente), ya que con elementos tetraédricos el mallado sería una tarea más sencilla, pero inasumible en lo que refiere a tiempo de cálculo. Posteriormente se unirán los nodos de los volúmenes que han sido mallados de manera independiente para que exista continuidad en la malla. Todo esto se hace con el programa Ansys TM. Figura 1 Sector Poloidal Irregular 3 El resultado final del sector toroidal completamente mallado se muestra en la Figura 2 Figura 2 Sector toroidal mallado

3 4.- Condiciones de Contorno A continuación se fijan las condiciones de contorno del sector toroidal, estas son básicamente dos: 1) Se impide el desplazamiento en dirección toroidal de todos los nodos que se en encuentran a 0 y a 40 poloidales. Esto se hace para simular que el sector toroidal está unido a un toroide de 320 por ambas secciones. 2) El soporte de gravedad tiene unas condiciones muy especiales de forma que en su base está muy rigidizada y además ofrece distintas rigideces en sus seis grados de libertad. En realidad el soporte de gravedad es el único apoyo que tiene la vasija de vacío. 5.- Inserciones Para analizar las condiciones más reales ha sido necesario incluir distintos tipos de elementos: 1) Inserciones de masa puntual para simular la masa de los blanket modules. Posteriormente se unían dichas masas puntuales mediante elementos beam (viga) a la cabeza de los housings. Esto se aprecia mejor en la Figura 4. 2) Inserción de elementos shell para simular costillas que rigidizan en las diferentes secciones poloidales. 3) Inserción de masas puntuales para simular el peso de los in-wall shielding, que a su vez también irán unidos a las costillas poloidales. Esto se muestra en la Figura 3 Figura 3 Inserción de In-Wall Shielding y costillas poloidales Figura 4 Inserción de Blanket Modules 6.- Interpretación del código nuclear francés RCC-MR ITER será construido en suelo francés por ello su fabricación, diseño y análisis ha de cumplir el código para reactores nucleares francés RCC-MR.

4 Lo primero de todo es distinguir entre dos tipos de cargas: 1) Cargas primarias (ocasionan daño tipo P): Este tipo de cargas producen tensiones en el material, pero el material no es capaz de extinguirlas por sí mismo mediante deformación, por ejemplo una barra a tracción o una presión en un recipiente cerrado. 2) Cargas secundarias (ocasionan daño tipo S): Este tipo de cargas producen tensiones también en el material, pero la naturaleza de las condiciones (tipo de fuerza, geometría, etc...) auto limitan el esfuerzo del material, por ejemplo un desplazamiento impuesto o una carga térmica. Este tipo de cargas, solo producen daño a través de su aplicación cíclica. Este proyecto únicamente trata daño tipo P. Cada carga tiene asociado un nivel de criterio, el cual está definido por el cliente. en el caso de cargas simples el nivel de criterio está dado por la Tabla 2 Tabla 2 Cargas simples y nivel de criterio Tabla 1 Cargas compuestas y nivel de criterio Se debe de estudiar también una combinación de cargas, que está dada por el cliente, en la Tabla 1 se da esta combinación de cargas y el nivel de criterio de cada combinación. Existen determinadas rutas para validar el análisis de esfuerzos de la estructura. Dichas rutas se muestran en la Figura 5 Figura 5 Rutas para validar el análisis de la estructura

5 Finalmente en todos los criterios de niveles se ha utilizado el análisis elástico, ya que es el más sencillo de calcular. 7.- Análisis de los resultados Los casos de carga simple no presentan en ninguna de las zonas analizadas tensiones muy elevadas, por lo que no se prestan a ser analizados minuciosamente, mientras que los casos compuestos sí que presentan este problema y cada zona que exceda el límite ha de ser minuciosamente examinada a través de líneas que atraviesen toda la zona de esfuerzos (llamados líneas de clasificación de esfuerzos). La Tabla 3 muestra los resultados para cada línea de clasificación de esfuerzos. Únicamente hay una zona que sobrepasa el límite de tensión que especifica la norma (marcada en rojo en la Tabla 3). Posteriormente habrá que analizarla mediante el criterio de análisis límite, si este sigue sin cumplir entonces se aplicará un análisis elastoplástico y si tampoco se cumple este criterio entonces habrá que modificar la geometría de la estructura de la vasija de vacío. Tabla 3 Tensiones en cada path comparadas con las tensiones permisibles por la norma RCC-MR

6 ITER VACUUM VESSEL FINITE ELEMENT ANALYSIS Author: Fernández Vázquez del Mercado, Francisco. Director: Lucas Torralba, Julio. Collaborating Institution: Elytt Energy. PROJECT SUMMARY 1.- Introduction ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) is an international research project to achieve fusion energy. This energy is interesting by two reasons, it is not pollutant and it will not generate a long lived nuclear waste. ITER means an engineering challenge by the machine dimensions and the operating conditions. ITER is composed by several components. A critical component is the Vacuum Vessel, before their construction it is necessary to analyze all loads it will be exposed to. This project is concerned about calculating primary stresses on the Vacuum Vessel during reactor operation taking into account some critical loads as earth quakes, magnet fast discharge, vertical displacement events and so on... Below project phases will be detailed: 2.- Initial Geometry Vacuum Vessel has toroidal geometry and it is divided in nine toroidal sectors (40 toroidal each one), but some of them have an irregular geometry (is different geometrically to the regular ones). The client gives the final geometry in CATIA TM format. This geometry must be meshed. Geometry of poloidal sector 3 is shown in Figure Poloidal Sector 3 Irregular Mesh Geometry will be prepared to mesh, it means deleting edge fillets, chamfers and holes in order to do more easier the mesh task, afterwards, it is necessary to divide the geometry to achieve parallelepiped forms. It is necessary proceeding in this way to get hexahedral elements (as required by the client). Tetrahedral elements would be easier for meshing but calculus time will increase exponentially.

7 Afterwards volume nodes will be merged to give a continuous mesh. All tasks have been done with Ansys TM. Figure 1 Poloidal Sector 3 Irregular The meshed toroidal sector irregular is shown in Figure 2 Figure 2 Toroidal sector mesh

8 4.- Boundary Conditions There are two boundary conditions: 1) Toroidal displacement is blocked on nodes in toroidal sections at 0 and 40. It simulates that the toroidal sector is joint with another toroidal sectors (closed toroid). 2) Gravity support is responsible to supporting all reactions of loads applied on Vacuum Vessel. It has different stiffness for each one degree of freedom. 5.- Insertions In order to do a realistic analysis it is necessary to insert some elements: 1) Mass elements have been used to simulate the mass of blanket modules. Afterwards this mass elements are linked with the housings head through beam elements. It is shown in Figura 4. 2) Shell elements insertions simulate poloidal ribs. 3) Mass elements to simulate in-wall shielding weight. They are linked with the poloidal ribs through beam elements. It is shown in Figure 3. Figure 3 In-Wall Shielding insertion and poloidal ribs Figure 4 Blanket Modules insertions 6.- French nuclear code RCC-MR ITER will be built on Cadarache (France), due to this, design, analysis and manufacturing must be done according with the code RCC-MR. There are two load types: 1) Primary loads (P damage is produced): material is not able to limit the applied force through deformation, for example pressure on a closed vessel.

9 2) Secondary loads (S damage is produced): Conditions (like material, load nature) are able to limit the applied force through deformation, for example an imposed displacement, thermal load and so on... Failure of the material may happen through cyclical application of the load. This project deals with P damage. Each load has a service level criterion given by the client. For single loads criteria level is given by Error! No se encuentra el origen de la referencia. Table 2 Single loads and criteria level Table 1 Combination loads and criteria level Combination of single loads is given by the client, Error! No se encuentra el origen de la referencia. shown combination loads and criteria level for each combination. There are several routes to validate the structure. Routes are shown in Figure 5 Figure 5 Analysis routes to validate stress according to RCC-MR code In all cases elastic analysis is used, because is easiest to use in comparison whit limit analysis and with elastoplastic analysis.

10 7.- Results analysis and postprocessing: Single load cases have no critical stresses, then they do not require a meticulous analysis. Combined load cases have critical stresses, and all zones must be analyzed carefully through paths which pass through stress zones. Table 3 show maximum stress path. There is only one path exceeding the allowable stress (red on Table 3). Afterwards, it must be analyzed with limit analysis and if it exceeds the allowable stress then elastoplastic analysis must be done, if even through this route the validity of the structure is not proven, then the geometry of the Vacuum Vessel should be changed. Table 3 Path s stress compared with the allowable stress given by RCC-MR