Das Indirect Coupling Design des DEMO Fusionsreaktors sieht eine thermische Entkopplung des heliumbetriebenen Erzeugungskreislaufs (Breeding Blanket Primary Heat Transfer System – BB PHTS) und des Rankine-Turbinenkreislaufs (Power Conversion System) durch die Integration eines mit Flüssigsalz (HITEC) betriebene Speicherkreislaufs (Intermediate Heat Transfer System - IHTS) vor. Der Transfer der bereitgestellten Wärmeströme zwischen BB PHTS und IHTS soll anhand eines He-Flüssigsalz-Wärmetauschern realisiert werden. Die unterschiedlichen physikalischen Parameter und thermofluiddynamischer Eigenschaften beider Wärmeträgermedien führen zu erheblichen Baugrößen von klassischen Flüssigkeit-Gas-Rohrbündelwärmetauschern. Durch den Einsatz strukturierter Wärmetauschergrenzflächen lässt sich die konvektive Wärmeübertragung erhöhen, wodurch sich die Wärmeübertragungsfläche verkleinert und eine Realisierung von kompakteren Bauformen ermöglicht wird.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Bestimmung von Wärmeübertragungskoeffizienten und Druckverlusten in strukturierten Rundrohren, wie sie in kompakten He-Flüssigsalz-Wärmetauschern im Rahmen des ICD Konzepts des Speicherkreislaufs von DEMO Anwendung finden könnten.  Das Ziel der Arbeit ist die thermohydraulische Auslegung und Berechnung einer beheizten Flüssigsalz-Teststrecke zur experimentellen Bestimmung von Wärmeübertragungskoeffizient und Druckverlust in strukturierten Rundrohren. Die Teststrecke ist für den Einsatz in einem skalierten Modellkreislauf des IHTS vorgesehen, der im Rahmen des HELOKA-US Projekts am KIT aufgebaut wird.

Die Masterarbeit umfasst folgende Aufgaben:

Ausarbeitung des konzeptionellen Designs der Teststrecke

Entwicklung, Auslegung und Simulation der Teststreckenbeheizung

Wahl der Instrumentierung und des Messkonzepts unter Berücksichtigung von Auswertungsmöglichkeiten und Fehlereinflüssen

CAD Modellerstellung für Konstruktion und numerische Simulation

Thermohydraulische CFD-Auslegungsrechnungen des Mock-Up zu verschiedenen Testbedingungen

Dauer: 6 Monate
Beginn der Masterarbeit: sofort
Ort: Institut für Neutronenphysik und Reaktortechnik
Gruppe: Anlagenentwicklung, Systemdynamik und Sicherheit
Kontakt und Betreuung: Dr.-Ing. Sebastian Ruck (sebastian.ruck@kit.edu) und Dr. Sara Perez-Martin (sara.martin@kit.edu)

Referenzen:

S. Perez-Martin, E. Bubelis, W. Hering, L. Barucca.  R&D Needs for the Design of the EU-DEMO HCPB ICD Balance of Plant in FP9. Journal of Nuclear Engineering  2022 3(4), 435-445 https://doi.org/10.3390/jne3040029

X. Gaus-Liu, E. Bubelis, S. Perez-Martin, B. E. Ghidersa, W. Hering.  Design Features and Simulation of the New-Build HELOKA-US Facility for the Validation of the DEMO Helium-Cooled Pebble Bed Intermediate Heat Transport and Storage System. Journal of Nuclear Engineering  2022 3(4), 461-472 https://doi.org/10.3390/jne3040032