Magnetohydrodynamic flow in a mock-up of a HCLL blanket Part II Experiments

Magnetohydrodynamische Stromungen im Modellexperiment eines HCLL Blankets Teil II Experimente in einem homogenen Magnetfeld In einem skalierten Modell eines Helium-gekuhlten Blei-LithiumTestblanketmoduls fur ITER wurden magnetohydrodynamische Flussigmetall-Stromungen untersucht. Die Ergebnisse untermauern das untersuchte Designkonzept und dienen zur Validierung von numerischen Berechnungsverfahren. Die untersuchte Modellgeometrie wurde entsprechend einem bei der CEA entwickelten Design eines Europaischen Konzepts eines Flussigmetall-Blankets fur ITER gefertigt (Rampal et al. (2005)). In diesem Entwurf dient die eutektische Flussigmetalllegierung PbLi als Brutmaterial. Die im Blanket freigesetzte thermische Leistung wird durch Helium abgefuhrt, das bei hohen Drucken und Geschwindigkeiten in engen Kanalen innerhalb der Wande und in Kuhlplatten stromt. Die Originalgeometrie wurde um einen Faktor 2 verkleinert, damit das Experiment im grosen Magneten des MEKKA Labors im Forschungszentrum Karlsruhe Platz findet, wo NaK als Modellfluid eingesetzt wird. Auf der Oberflache des Modells wurden Druck- und Potentialverteilungen fur eine Vielzahl von Parameterkombinationen gemessen. Als dimensionslose Grosen zur Quantifizierung der Magnetfeldstarke und des Volumenstroms dienen die Hartmann - Zahl Ha und die Reynolds - Zahl Re. Die experimentellen Ergebnisse bestatigen theoretische Vorhersagen, wonach die grosten Druckverluste in den Zu- und Abflussleitungen und in den poloidalen Verteilern und Sammlern entstehen. Zusatzliche kleinere Beitrage ergeben sich, wenn die Stromung durch schmale Offnungen in der Ruckwand und nahe der ersten Wand hindurch tritt. Im Vergleich mit diesen Anteilen ist der Druckverlust in den Bruteinheiten bei Stromungsgeschwindigkeiten von 1-2mm/s vernachlassigbar klein. Aus dem weiten Bereich der untersuchten Parameter, 500 ≤ Ha ≤ 5000, 200 < Re < 10000, kann eine Druckverlust-Korrelation abgeleitet werden, mit deren Hilfe die Ergebnisse auf ITER oder DEMO Bedingungen extrapoliert werden konnen. Aus Messungen des elektrischen Potentials auf der Oberflache des Moduls kann die Stromungsverteilung zwischen den Kuhlplatten ermittelt werden. Trotz der komplexen Geometrie findet man fur starke Magnetfelder und moderate Volumenstrome eine recht gute Ubereinstimmung mit Ergebnissen numerischer Berechnungen, die die volle elektrische Kopplung zwischen Unterkanalen und Bruteinheiten fur eingelaufene Bedingungen in einer Mittelebene des Blankets berucksichtigen. Die starke elektromagnetische Kopplung fuhrt zu einer hinreichend gleichformigen Stromungsverteilung innerhalb der Bruteinheiten, mit etwas erhohten Durchsatzen in den auseren Kanalen entlang den sogenannten Grid Plates. Tragheitseffekte treten verstarkt bei schwacheren Magnetfeldern oder hoheren Stromungsgeschwindigkeiten in Erscheinung. Fur solche Bedingungen, bei kleineren Hartmann - Zahlen Ha und grosen Reynolds - Zahlen Re, wird die Stromungsverteilung in den Bruteinheiten unsymmetrisch und es entstehen Gebiete mit Ruckstromung oder geschlossene Rezirkulationsgebiete.