Recuperated versus single-recuperator re-compressed supercritical CO2 Brayton power cycles for DEMO fusion reactor based on dual coolant lithium lead blanket

Abstract

El programa de investigación de EUROfusion está actualmente explorando soluciones alternativas para una futura central eléctrica de fusión con el prototipo DEMO. Uno de los más importantes problemas que emanan de un reactor basado en envoltura regeneradora de doble refrigerante es la correcta integración de las cuatro fuentes térmicas para maximizar producción eléctrica. Este estudio analiza la viabilidad técnica de los ciclos Brayton con CO2 supercrítico. Comenzando con un ciclo clásico de recompresión, caso base, se investigan dos propuestas alternativas. Por una parte, se estudia una variante modificada con un solo regenerador, alcanzando la misma eficiencia que en el caso base (34,6%). Por otra parte, se propone un ciclo regenerativo que logra una eficiencia el 33,6%. Se realiza un estudio paramétrico para optimizar el tamaño de los intercambiadores de calor, alcanzando con el ciclo de recompresión una pérdida de eficiencia del 5% y con el regenerativo del 3%, logrando una reducción en el tamaño de los intercambiadores de 2/3.

The EUROfusion research program is currently exploring alternative solutions for a future fusion power plant with DEMO (DEMOnstration Power Plant) prototype. One of the most important issues arising from a dual coolant lithium lead blanket-based reactor is the correct integration of the four thermal sources in order to achieve the highest electricity production. This study analyses the technical feasibility of supercritical CO2 Brayton power cycles. Starting with a classical re-compressed cycle, which is taken as the baseline case, two alternative proposals are investigated. On the one hand, a modified re-compressed layout with only one recuperator is studied, and is found to achieve the same electric efficiency as that of the baseline case (34.6%). On the other hand, an optimised recuperated layout is proposed, which achieves a 33.6% electric efficiency. A parametric study is conducted in order to optimise the heat exchanger size. When the re-compressed layout is optimised, a loss of efficiency (5%) is experienced. In the case of the recuperated layout optimisation the efficiency loss is reduced to 3%, achieving a reduction in heat exchanger size of 2/3.