Development of “pulsed” Power Conversion System of EU DEMO BOP for Water Cooled Lithium Lead Breeding Blanket

Reducing pollutant emissions and greenhouse gases requires the search for new energy sources. Renewable energy sources seem to be a great alternative for the distributed power generation, while large power plants could ensure that the base load is matched. Nuclear energy has always been one popular solution for large plants. While new layouts and technical solutions are continuously investigated for the fission-based nuclear plants, in the last decades significant efforts have been devoted to the realization of nuclear fusion. In the field of nuclear fusion, European DEMOnstration Power Plant, better known as EU DEMO, is the guiding project for the nuclear fusion together with the ITER project. ITER program has the scope of demonstrating that a burning plasma can be created and sustained and in general would develop the scientific know-how for the plasma and its related technologies. It will produce several MWs of thermal energy without generating electrical energy. As natural prosecution of ITER, DEMO project is intended to create a real plant facility able to convert heat into electrical energy in order to verify the technological possibility for future commercial application. The most challenging task of the project is to have a positive balance of energy between energy consumption for the plasma stabilization and the net electrical power produced. In the pathway through fusion energy, EUROfusion, that is a consortium including European Union and three associated counties1, is in charge of EU DEMO development, dedicates an entire Work Package to the study of Balance of Plant (BoP) aiming at the development of two reference solutions for the primary cooling circuits and to couple it with different layouts of secondary circuits. This PhD program has aimed at the identification of a reference solution for DEMO Power Conversion System (PCS) associated with Water Cooled Lithium Lead Breeding Blanket Balance of Plant (WCLL BoP). Three main architectures have been developed: i) WCLL Direct Coupling Design (DCD) BOP Small Storage Option: “Pulsed” Power Conversion System (PCS) ii) WCLL Direct Coupling Design (DCD) BOP “NO STORAGE” Option - “Pulsed” Power Conversion System (PCS) iii) WCLL Indirect Coupling Design (ICD) BOP Small ESS: “Pulsed” Power Conversion System (PCS) The three aforementioned configurations shall cope with the pulsating functioning of the Tokamak reactor, implementing solutions that enable the PCS to keep the generator synchronized to the electrical grid, during the low partial load of the reactor (dwell). This investigation, for the three reference PCS architectures, have regarded: i) design requirements laying the Rankine cycle development; ii) Rankine cycle design; iii) heat balances in pulse and in dwell; iv) main control loops definition; iv) operational analysis and the cycle performance; v) sizing of system components. In addition, in the last part of the thesis, the outcome of an optimized solution for the storage system associated to the WCLL DCD BOP Small Storage Option will be presented. Different storage technologies have been taken into account and considered for the actual layout. This PhD thesis has been developed in close collaboration with Ansaldo Energia and Ansaldo Nucleare, an affiliated entity of EUROfusion consortium. The candidate has been integrated in the development team working on DEMO industrial tasks, carrying out significant time of his PhD period in Ansaldo Energia headquarters in Genoa, Italy.

La riduzione delle emissioni inquinanti e dei gas serra richiede la ricerca di nuove fonti energetiche. Se da un lato le fonti rinnovabili sembrano essere un'ottima alternativa per la generazione distribuita, dall'altro è necessario operare con impianti di grossa taglia in modo da garantire il mantenimento del carico di base. L'energia nucleare è sempre stata una delle soluzioni per le grandi centrali termoelettriche, in particolare negli ultimi decenni la ricerca si è rivolta alla fusione nucleare. Nel campo della fusione nucleare, l'European DEMOnstration Power Plant, meglio noto come EU DEMO, rappresenta il punto di riferimento per la fusione nucleare insieme al progetto ITER. Il programma ITER ha lo scopo di dimostrare la possibilità di generare e mantenere un burning plasma e, in generale, di sviluppare il know-how scientifico sul plasma e le relative tecnologie. Produrrà diversi MW di energia termica senza generare energia elettrica. Il progetto DEMO intende creare un impianto reale in grado di convertire il calore in energia elettrica per verificare la possibilità tecnologica di una futura applicazione commerciale. Il compito più impegnativo del progetto è avere un bilancio energetico positivo tra l'energia utilizzata per la stabilizzazione del plasma e l'energia netta prodotta. Nel percorso verso l'energia da fusione, EUROfusion, il consorzio dell'Unione Europea responsabile dello sviluppo di DEMO, dedica un intero Work Package allo studio del Balance of Plant (BoP) con l'obiettivo di sviluppare due soluzioni di riferimento per i circuiti di raffreddamento primari e di accoppiarli con diversi layout dei circuiti secondari. Il programma di dottorato è stato finalizzato all'identificazione di una soluzione di riferimento per il Sistema di Conversione di Potenza (PCS) di DEMO associato al Balance of Plant di un impianto al piombo-litio raffreddato ad acqua (WCLL BoP). Sono state sviluppate tre architetture principali: i) WCLL DCD BOP Small Storage Option: Sistema di conversione di potenza “pulsato” (PCS) ii) Opzione WCLL Direct Coupling Design (DCD) BOP “NO STORAGE” - Sistema di conversione di potenza “pulsato” (PCS) iv) WCLL Design ad accoppiamento indiretto (ICD) BOP Small ESS: Sistema di conversione di potenza (PCS) “pulsato”. Le tre configurazioni sopra citate dovranno far fronte al funzionamento pulsante del reattore Tokamak, implementando una soluzione che permetta al PCS di mantenere il generatore sincronizzato con la rete elettrica, durante il basso carico parziale del reattore. Lo studio, per le tre architetture di riferimento del PCS, ha riguardato: i) i requisiti per lo sviluppo del ciclo Rankine; ii) la progettazione del ciclo Rankine; iii) i bilanci termici in pulsazione e in sosta (pulse, dwell); iv) la definizione dei principali loop di controllo; iv) l'analisi operativa e le prestazioni del ciclo; v) il dimensionamento dei componenti del sistema. Inoltre, nell'ultima parte della tesi vengono presentati alcuni risultati di una soluzione ottimizzata per il sistema di accumulo associato alla WCLL DCD BOP Small Storage Option. Sono state prese in considerazione e implementate nel layout attuale diverse tecnologie di accumulo energetico. Il programma di dottorato è stato sviluppato in stretta collaborazione con Ansaldo Energia ed Ansaldo Nucleare, entità affiliata al consorzio EUROfusion. Il candidato è stato integrato nel team di sviluppo che lavora su DEMO, svolgendo una parte significativa del periodo di dottorato presso la sede di Ansaldo Energia, Genova, Italia.