The role of spatial and temporal radiation deposition in inertial fusion chambers: the case of HiPER¿

The first wall armour for the reactor chamber of HiPER will have to face short energy pulses of 5 to 20 MJ mostly in the form of x-rays and charged particles at a repetition rate of 5–10 Hz. Armour material and chamber dimensions have to be chosen to avoid/minimize damage to the chamber, ensuring the proper functioning of the facility during its planned lifetime. The maximum energy fluence that the armour can withstand without risk of failure, is determined by temporal and spatial deposition of the radiation energy inside the material. In this paper, simulations on the thermal effect of the radiation–armour interaction are carried out with an increasing definition of the temporal and spatial deposition of energy to prove their influence on the final results. These calculations will lead us to present the first values of the thermo-mechanical behaviour of the tungsten armour designed for the HiPER project under a shock ignition target of 48 MJ. The results will show that only the crossing of the plasticity limit in the first few micrometres might be a threat after thousands of shots for the survivability of the armour.

Temperature Evolution and Light Species Diffusion in Armor and Structural Material for Inertial Fusion Reactor Chambers: a Case for HiPER 4a

One of the most advance designs for HiPER fusion reactor is a spherical chamber 10 m in diameter based on dry wall concept. In this system, the first wall will have to withstand short energy pulses of 5 to 20 MJ at a repetition rate of 0.5-10 Hz mostly in form of X-rays and charged particles. To avoid melting of the inner surface, the first wall consists on a thin armor attached to the structural material. Thickness (th) and material of each layer have to be chosen to assure the proper functioning of the facility during its planned lifetime.

An overview on armor research for the laser fusion project HiPER

During the current preparatory phase of the European laser fusion project HiPER, an intensive effort has being placed to identify an armour material able to protect the internal walls of the chamber against the high thermal loads and high fluxes of x-rays and ions produced during the fusion explosions. This poster addresses the different threats and limitations of a poly-crystalline Tungsten armour. The analysis is carried out under the conditions of an experimental chamber hypothetically constructed to demonstrate laser fusion in a repetitive mode, subjected to a few thousand 48MJ shock ignition shots during its entire lifetime. If compared to the literature, an extrapolation of the thermomechanical and atomistic effects obtained from the simulations of the experimental chamber to the conditions of a Demo reactor (working 24/7 at hundreds of MW) or a future power plant (producing GW) suggests that “standard” tungsten will not be a suitable armour. Thus, new materials based on nano-structured W and C are being investigated as possible candidates. The research programme launched by the HiPER material team is introduced.

Silica final lenses under HiPER laser fusion reactor operation conditions

We have studied the thermo-mechanical response and atomistic degradation of final lenses in HiPER project. Final silica lenses are squares of 75 × 75 cm2 with a thickness of 5 cm. There are two scenarios where lenses are located at 8 m from the centre: •HiPER 4a, bunches of 100 shots (maximum 5 DT shots <48 MJ at ≈0.1 Hz). No blanket in chamber geometry. •HiPER 4b, continuous mode with shots ≈50 MJ at 10 Hz to generate 0.5 GW. Liquid metal blanket in chamber design.

Materials Research for HiPER Laser Fusion Facilities: Chamber Wall, Structural Material and Final Optics

The European HiPER project aims to demonstrate commercial viability of inertial fusion energy within the following two decades. This goal requires an extensive Research &Development program on materials for different applications (e.g., first wall, structural components and final optics). In this paper we will discuss our activities in the framework of HiPER to develop materials studies for the different areas of interest. The chamber first wall will have to withstand explosions of at least 100 MJ at a repetition rate of 5-10 Hz. If direct drive targets are used, a dry wall chamber operated in vacuum is preferable. In this situation the major threat for the wall stems from ions. For reasonably low chamber radius (5-10 m) new materials based on W and C are being investigated, e.g., engineered surfaces and nanostructured materials. Structural materials will be subject to high fluxes of neutrons leading to deleterious effects, such as, swelling. Low activation advanced steels as well as new nanostructured materials are being investigated. The final optics lenses will not survive the extreme ion irradiation pulses originated in the explosions. Therefore, mitigation strategies are being investigated. In addition, efforts are being carried out in understanding optimized conditions to minimize the loss of optical properties by neutron and gamma irradiation

Generación automática de reglas de categorización de texto en un método híbrido basado en aprendizaje

En este artículo se evalúan diferentes técnicas para la generación automática de reglas que se emplean en un método híbrido de categorización automática de texto. Este método combina un algoritmo de aprendizaje computacional con diferentes sistemas basados en reglas en cascada empleados para el filtrado y reordenación de los resultados proporcionados por dicho modelo base. Aquí se describe una implementación realizada mediante el algoritmo kNN y un lenguaje básico de reglas basado en listas de términos que aparecen en el texto a clasificar. Para la evaluación se utiliza el corpus de noticias Reuters-21578. Los resultados demuestran que los métodos de generación de reglas propuestos producen resultados muy próximos a los obtenidos con la aplicación de reglas generadas manualmente y que el sistema híbrido propuesto obtiene una precisión y cobertura comparables a la de los mejores métodos del estado del arte.

Método híbrido para categorización de texto basado en aprendizaje y reglas

En este artículo se presenta un nuevo método híbrido de categorización automática de texto, que combina un algoritmo de aprendizaje computacional, que permite construir un modelo base de clasificación sin mucho esfuerzo a partir de un corpus etiquetado, con un sistema basado en reglas en cascada que se emplea para filtrar y reordenar los resultados de dicho modelo base. El modelo puede afinarse añadiendo reglas específicas para aquellas categorías difíciles que no se han entrenado de forma satisfactoria. Se describe una implementación realizada mediante el algoritmo kNN y un lenguaje básico de reglas basado en listas de términos que aparecen en el texto a clasificar. El sistema se ha evaluado en diferentes escenarios incluyendo el corpus de noticias Reuters-21578 para comparación con otros enfoques, y los modelos IPTC y EUROVOC. Los resultados demuestran que el sistema obtiene una precisión y cobertura comparables con las de los mejores métodos del estado del arte.

Lifetime of silica final lenses subject to HiPER irradiation conditions

The goal of the European laser fusion project, is to build an engineering facility for repetitive laser operation (HiPER 4a) and later a fusion reactor (HiPER 4b). A key aspect for laser fusion energy is the final optics. At the moment, it is based on silica transmission lenses located 8 m away from the chamber center. Lens lifetime depends on the irradiation conditions. We have used a 48 MJ shock ignition target for calculations. We have studied the thermo-mechanical effects of ions and X-rays on the lenses. Ions lead to lens melting and must therefore be mitigated. On the other hand, X-rays (~1% of the energy) does not produce either a significant temperature rise or detrimental stresses. Finally, we calculated the neutron flux and gamma dose rate on the lenses. Next, based on a simple model we studied the formation of color centers in the sample, which lead to optical absorption. Calculations show that simultaneous neutron and gamma irradiation does not significantly increase the optical absorption during the expected lifetime of the HiPER 4a facility. Under severe conditions (HiPER 4b), operation above 800 K or lens refreshing by thermal annealing treatments seem to assure adequate behavior.

Studies of a Self Cooled Lead Lithium blanket for HiPER Reactor

Within the frame of the HiPER reactor, we propose and study a Self Cooled Lead Lithium blanket with two different cooling arrangements of the system First Wall – Blanket for the HiPER reactor: Integrated First Wall Blanket and Separated First Wall Blanket. We compare the two arrangements in terms of power cycle efficiency, operation flexibility in out-off-normal situations and proper cooling and acceptable corrosion. The Separated First Wall Blanket arrangement is superior in all of them, and it is selected as the advantageous proposal for the HiPER reactor blanket. However, it still has to be improved from the standpoint of proper cooling and corrosion rates

IFE Plant Technology Overview and contribution to HiPER proposal

HiPER is the European Project for Laser Fusion that has been able to join 26 institutions and signed under formal government agreement by 6 countries inside the ESFRI Program of the European Union (EU). The project is already extended by EU for two years more (until 2013) after its first preparatory phase from 2008. A large work has been developed in different areas to arrive to a design of repetitive operation of Laser Fusion Reactor, and decisions are envisioned in the next phase of Technology Development or Risk Reduction for Engineering or Power Plant facilities (or both). Chamber design has been very much completed for Engineering phase and starting of preliminary options for Reactor Power Plant have been established and review here.

Neutronics design and radiological aspects of HiPER facilities

En este trabajo se han cubierto diferentes asuntos del diseño neutrónico de los aspectos radiológicos de las dos instalaciones del proyecto HiPER. El proyecto HiPER es un proyecto europeo concebido en el marco del programa ESFRI (European Scientific Facilities Research Infrastructure). Está destinado al desarrollo de la energía de fusión nuclear inercial mediante el uso de láseres y el esquema iluminación directa. Consecuentemente, se trata de una instalación con fines exclusivamente civiles. Se divide en dos fases, correspondientes con dos instalaciones: HiPER Engineering y HiPER Reactor. La instalación HiPER Engineering desarrollará las tecnologías implicadas en la ignición de alta repetición de cápsulas de DT por iluminación directa. El HiPER Reactor será una planta demostradora que produzca electricidad haciendo uso de las tecnologías desarrolladas durante la fase HiPER Engineering. El HiPER Engineering se centrará en las tecnologías relevantes para las igniciones a alta repetición de cápsulas de DT usando la iluminación directa. El principal esfuerzo de desarrollo tecnológico se hará en todos los asuntos directamente relacionados con la ignición: láseres, óptica, inyector, y fabricación masiva de cápsulas entre otros. Se espera una producción de entre 5200 MJ/año y 120000 MJ/año dependiendo del éxito de la instalación. Comparado con la energía esperada en NIF, 1200 MJ/año, se trata de un reto y un paso más allá en la protección radiológica. En este trabajo se ha concebido una instalación preliminar. Se ha evaluado desde el punto de vista de la protección radiológica, siendo las personas y la óptica el objeto de protección de este estudio. Se ha establecido una zonificación durante la operación y durante el mantenimiento de la instalación. Además, se ha llevado a cabo una evaluación de la selección de materiales para la cámara de reacción desde el punto de vista de gestión de residuos radiactivos. El acero T91 se ha seleccionado por, siendo un acero comercial, presentar el mismo comportamiento que el acero de baja activación EUROFER97 al evaluarse como residuo con el nivel de irradiación de HiPER Engineering. Teniendo en cuenta los resultados obtenidos para la instalación preliminar y las modificaciones de la instalación motivadas en otros campos, se ha propuesto una instalación avanzada también en este trabajo. Un análisis más profundo de los aspectos radiológicos, así como una evaluación completa de la gestión de todos los residuos radiactivos generados en la instalación se ha llevado a cabo. La protección radiológica se ha incrementado respecto de la instalación preliminar, y todos los residuos pueden gestionarse en un plazo de 30 sin recurrir al enterramiento de residuos. El HiPER Reactor sera una planta demostradora que produzca electricidad basada en las tecnologías de ignición desarrolladas durante la fase HiPER Engineering. El esfuerzo de desarrollo tecnológico se llevará a cabo en los sistemas relacionados con la generación de electricidad en condiciones económicas: manto reproductor de tritio, ciclos de potencia, vida y mantenimiento de componentes, o sistemas de recuperación de tritio entre otros. En este trabajo la principal contribución a HiPER Reactor está relacionada con el diseño de la cámara de reacción y sus extensiones en la planta. La cámara de reacción es la isla nuclear más importante de la planta, donde la mayoría de las reacciones nucleares tienen lugar. Alberga la primera pared, el manto reproductor de tritio y la vasija de vacío. Todo el trabajo realizado aquí ha pivotado en torno al manto reproductor de tritio y sus interacciones con el resto de componentes de la planta. Tras una revisión profunda de la bibliografía de los diseños recientes de cámaras de reacción con características similares a HiPER Reactor, se ha propuesto y justificado un esquema tecnológico innovador para el manto reproductor de tritio. El material fértil selecconado es el eutéctico 15.7 at.% Litio – 84.3 at.% Plomo, LiPb, evitando el uso de berilio como multiplicador neutrónico mientras se garantiza el ajuste online de la tasa de reproducción de tritio mediante el ajuste en el enriquecimiento en 6Li. Aunque se podría haber elegido Litio purom el LiPb evita problemas relacionados con la reactividad química. El precio a pagar es un reto materializado como inventario radiactivo de Z alto en el lazo de LiPb que debe controlarse. El material estructural seleccionado es el acero de baja activación EUROFER97, que estará en contacto directo con le LiPb fluyendo a alta velocidad. En este esquema tecnológico, el LiPb asegurará la autosuficiente de tritio de la planta mientras el propio LiPb extrae del manto el calor sobre él depositado por los neutrones. Este esquema recibe el nombre de manto de Litio-Plomo auto-refrigerado (SCLL por sus siglas en inglés). Respecto de los conceptos SCLL previos, es destacable que nos e requieren componentes del SiC, puesto que no hay campos magnéticos en la cámara de reacción. Consecuentemente, el manto SCLL propuesto para HiPER presenta riesgo tecnológicos moderados, similares a otros dispositivos de fusión magnética, como el HCLL, e incluso inferiores a los del DCLL, puesto que no se require SiC. Los retos que se deben afrontar son el control del inventario de Z alto así como las tasas de corrosión derivadas de la interacción del LiPb con el EUROFE97. En este trabajo se abordan ambos aspectos, y se presentan los respectivos análisis, junto con otros aspectos neutrónicos y de activación, tales como la protección de la vasija de vacío por parte del material fértil para garantizar la resoldabilidad de por vida en la cara externa de la vasija. También se propone y se estudio un ciclo de potencia de Brayton de Helio para dos configuraciones diferentes de refrigeración del sistema primera pared-manto reproductor. Las principales conclusiones de estos estudios son: i) el inventario de Z alto puede controlarse y es comparable al que se encuentra en dispositivos de fusión similares, ii)la vasija de vacío requiere una mayor protección frente a la radiación neutrónica y iii) las tasas de corrosión son demasiado altas y la temperatura media de salida del LiPb es demasiado baja. Tiendo en cuenta estos resultados juntos con otras consideraciones relacionadas con el mantenimiento de componentes y la viabilidad constructiva, se ha propuesto una evolución de la cámara de reacción. Las evoluciones más destacables son la introducción de un reflector neutrónico de grafito, la modificación de la configuración de la óptica final, la forma y el tamaño de la cámara de vacío y una nueva subdivisión modular del manto. Se ha evaluado desde el punto de vista neutrónico, y su análisis y posterior evolución queda fuera del objeto de este trabajo. Los códigos utilizados en este trabajo son: CATIA para la generación de geometrías 3D complejas MCAM para la traducción de archivos de CATIA a formato de input de MCNP MCNP para el transporte de la radiación (neutrones y gammas) y sus respuestas asociadas ACAB para la evolución del inventario isotópico y sus respuestas asociadas MC2ACAB para acoplar MCNP y ACAB para el cómputo de dosis en parada usando la metodología R2S basada en celda. Moritz para visualizar los reultados de MCNP FLUENT para llevar a cabo cálculos de fluido-dinámica Para llevar a cabo este trabajo, han sido necesarias unas destrezas computacionales. Las más relevantes utilizadas son: generación de geometrás 3D complejas y transmisión a MCNP, diferentes tñecnica de reducción de varianza como importancia por celdas y weight windows basado en malla, metodología Rigorous-two-Steps basada en celdas para el cálculo de dosis en parada y la modificación del código ACAB para el cálculos con múltiples espectros en la misma simulación. Como resumen, la contribución de este trabajo al proyecto HiPER son dos diseños conceptuales de instalación: una para HiPER Engineering y otra para HiPER Reactor. La primera se ha estudio en profundidad desde el punto de vista de protección radiológica y gestión de residuos, mientras que la segunda se ha estudiado desde el punto de vista de operación: seguridad, comportamiento, vida y mantenimiento de componentes y eficiencia del ciclo de potencia.