Tesi etd-10272011-164931 |
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Tipo di tesi
Tesi di laurea specialistica
Autore
ORLANDI, FRANCESCO
URN
etd-10272011-164931
Titolo
Studio Analitico e Sperimentale del comportamento termomeccanico dei materiali costitutivi il Blanket dei Reattori a Fusione
Dipartimento
INGEGNERIA
Corso di studi
INGEGNERIA NUCLEARE E DELLA SICUREZZA INDUSTRIALE
Relatori
relatore Prof. Aquaro, Donato
Parole chiave
- Breeding Blanket
- comportamento termo meccanico
- conducibilità termica efficace
- conduttanza termica di interfaccia
- fattore di impacchettamento
- letto di sfere
- metatitanato di litio
- ortosilicato di litio
- reattore a fusione
Data inizio appello
28/11/2011
Consultabilità
Non consultabile
Data di rilascio
28/11/2051
Riassunto
L’attività di Tesi riguarda lo sviluppo di un modello costitutivo termo-meccanico dei letti di sfere da implementatare in codici di calcolo agli elementi finiti per analisi strutturali (Ansys , Marc).
L’attività teorica è stata sviluppata in parallelo ad una attività sperimentale per validare e definire il modello teorico.
L’Ortosilicato di Litio (Li4SiO4 ) ed il Metatitanato di Litio (Li2TiO3), sotto forma di sferette, sono candidati “breeder” per i TBM.
Presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica Nucleare e della Produzione (DIMNP) della Università di Pisa è in corso un’attività di ricerca sperimentale per la determinazione delle proprietà meccaniche sia delle singole sfere sia dei letti di sfere di Ortosilicato di Litio (Li4SiO4 ) e di Metatitanato di Litio (Li2TiO3) mediante prove cicliche di compressione fino alla rottura a varie temperature.
Nell’ambito della presente tesi sono state determinate sperimentalmente la conducibilità termica e il comportamento strutturale dei letti di sfere sotto l’azione di carichi di compressione monoassiale (prove udometriche) a varie temperature (fino 850° C circa).
Inoltre sono state effettuate simulazioni numeriche con codici di calcolo FEM , MSC Marc ed ANSYS
L’attività è stata eseguita presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione (DIMNP) della Facoltà di Ingegneria di Pisa e presso il Dipartimento di Scienze della Fusione presso la UCLA University in Los Angeles – CA.
L’attività di tesi ha previsto inizialmente una analisi della letteratura tecnica sui materiali “Breeder”, cioè materiali produttori di trizio nei Blanket autofertilizzanti [2].
Sono stati analizzati i lavori sul comportamento dei letti di sfere di Ortosilicato di Litio (Li4SiO4 ) e Metatitanato di Litio (Li2TiO3) sviluppati da gruppi di ricerca europei (FZK e CEA) e quelli effettuati al DIMNP-Università di Pisa e alla UCLA University di Los Angeles.
L’analisi sullo stato dell’arte ha riguardato sia le ricerche analitico sperimentali sul comportamento termomeccanico delle singole sfere e dei letti di sfere sotto carichi di compressione a varie temperature sia i modelli teorici del comportamento termico e meccanico dei letti di sfere.
Vari autori hanno elaborato Modelli cosidetti “discreti” o “continui”.
I Modelli discreti descrivono i fenomeni meccanici e termici che caratterizzano la singola sfera (o coppia di sfere) per poi approdare alla valutazione dei parametri caratteristici di un qualsivoglia letto di sfere. I modelli continui descrivono il materiale granulare come corpo continuo ed omogeneo simulando geometrie anche complesse.
L’attività di tesi ha previsto, successivamente, l’elaborazione di un modello teorico capace di simulare il comportamento termo-meccanico dei letti di sfere. Il modello termico valuta la conducibilità termica in funzione della deformazione della sfera (sottoposta a carico di compressione) e della temperatura. Il modello meccanico considera lo stato di tensione e deformazione di una sfera sottoposta a compressione monodimensionale. Simulazioni agli elementi finiti sono effettuate per validare il modello teorico termomeccanico.
Per l’effettuazione delle prove sperimentali è stata progettata e realizzata presso il DIMNP una apparecchiatura sperimentale per prove edometriche e di conducibilità su letti di sfere di Ortosilicato di Litio e Metatitanato di Litio al variare della temperatura (fino a T ≈ 200°C).
Sono state Effettuate prove edometriche e di conducibilità su letti di sfere di “Ortosilicato di Litio”. Esami al SEM delle sfere testate hanno permesso di evidenziare i fenomeni di cracking caratterizzanti il comportamento delle sfere.
Progettazione di una Facility Sperimentale per effettuazione di prove edometriche ad alta temperatura Presso il Dipartimento di Scienza della Fusione Nucleare della “UCLA” University di Los Angeles è stata progettata una attrezzatura sperimentale per l’effettuazione di prove edometriche ad alta temperatura.
Presso la “UCLA University” California, il candidato ha sviluppato prove edometriche e di conducibilità termica su letti di sfere di Metatitanato di Litio e di Ossido di Litio (Li2O) fino a temperature di T≈ 900°C. I risultati sperimentali sono stati confrontati con i risultati del modello teorico. L’obiettivo primario delle prove edometriche ad temperatura è quello di determinare una Mappa previsionale di rottura a creep per specifici letti di sfere correlando fra loro carico applicato, temperatura e tempo di carico.
I risultati sperimentali ottenuti presso il “DIMNP ” e l’ “UCLA” sono stati confrontati con i dati disponibili in letteratura.
Il confronto ha anche permesoo di valutare l’idoneità dei modelli di calcolo sviluppati, i loro limiti di applicazione e la loro capacità predittiva del comportamento dei letti di sfere.
L’attività teorica è stata sviluppata in parallelo ad una attività sperimentale per validare e definire il modello teorico.
L’Ortosilicato di Litio (Li4SiO4 ) ed il Metatitanato di Litio (Li2TiO3), sotto forma di sferette, sono candidati “breeder” per i TBM.
Presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica Nucleare e della Produzione (DIMNP) della Università di Pisa è in corso un’attività di ricerca sperimentale per la determinazione delle proprietà meccaniche sia delle singole sfere sia dei letti di sfere di Ortosilicato di Litio (Li4SiO4 ) e di Metatitanato di Litio (Li2TiO3) mediante prove cicliche di compressione fino alla rottura a varie temperature.
Nell’ambito della presente tesi sono state determinate sperimentalmente la conducibilità termica e il comportamento strutturale dei letti di sfere sotto l’azione di carichi di compressione monoassiale (prove udometriche) a varie temperature (fino 850° C circa).
Inoltre sono state effettuate simulazioni numeriche con codici di calcolo FEM , MSC Marc ed ANSYS
L’attività è stata eseguita presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Nucleare e della Produzione (DIMNP) della Facoltà di Ingegneria di Pisa e presso il Dipartimento di Scienze della Fusione presso la UCLA University in Los Angeles – CA.
L’attività di tesi ha previsto inizialmente una analisi della letteratura tecnica sui materiali “Breeder”, cioè materiali produttori di trizio nei Blanket autofertilizzanti [2].
Sono stati analizzati i lavori sul comportamento dei letti di sfere di Ortosilicato di Litio (Li4SiO4 ) e Metatitanato di Litio (Li2TiO3) sviluppati da gruppi di ricerca europei (FZK e CEA) e quelli effettuati al DIMNP-Università di Pisa e alla UCLA University di Los Angeles.
L’analisi sullo stato dell’arte ha riguardato sia le ricerche analitico sperimentali sul comportamento termomeccanico delle singole sfere e dei letti di sfere sotto carichi di compressione a varie temperature sia i modelli teorici del comportamento termico e meccanico dei letti di sfere.
Vari autori hanno elaborato Modelli cosidetti “discreti” o “continui”.
I Modelli discreti descrivono i fenomeni meccanici e termici che caratterizzano la singola sfera (o coppia di sfere) per poi approdare alla valutazione dei parametri caratteristici di un qualsivoglia letto di sfere. I modelli continui descrivono il materiale granulare come corpo continuo ed omogeneo simulando geometrie anche complesse.
L’attività di tesi ha previsto, successivamente, l’elaborazione di un modello teorico capace di simulare il comportamento termo-meccanico dei letti di sfere. Il modello termico valuta la conducibilità termica in funzione della deformazione della sfera (sottoposta a carico di compressione) e della temperatura. Il modello meccanico considera lo stato di tensione e deformazione di una sfera sottoposta a compressione monodimensionale. Simulazioni agli elementi finiti sono effettuate per validare il modello teorico termomeccanico.
Per l’effettuazione delle prove sperimentali è stata progettata e realizzata presso il DIMNP una apparecchiatura sperimentale per prove edometriche e di conducibilità su letti di sfere di Ortosilicato di Litio e Metatitanato di Litio al variare della temperatura (fino a T ≈ 200°C).
Sono state Effettuate prove edometriche e di conducibilità su letti di sfere di “Ortosilicato di Litio”. Esami al SEM delle sfere testate hanno permesso di evidenziare i fenomeni di cracking caratterizzanti il comportamento delle sfere.
Progettazione di una Facility Sperimentale per effettuazione di prove edometriche ad alta temperatura Presso il Dipartimento di Scienza della Fusione Nucleare della “UCLA” University di Los Angeles è stata progettata una attrezzatura sperimentale per l’effettuazione di prove edometriche ad alta temperatura.
Presso la “UCLA University” California, il candidato ha sviluppato prove edometriche e di conducibilità termica su letti di sfere di Metatitanato di Litio e di Ossido di Litio (Li2O) fino a temperature di T≈ 900°C. I risultati sperimentali sono stati confrontati con i risultati del modello teorico. L’obiettivo primario delle prove edometriche ad temperatura è quello di determinare una Mappa previsionale di rottura a creep per specifici letti di sfere correlando fra loro carico applicato, temperatura e tempo di carico.
I risultati sperimentali ottenuti presso il “DIMNP ” e l’ “UCLA” sono stati confrontati con i dati disponibili in letteratura.
Il confronto ha anche permesoo di valutare l’idoneità dei modelli di calcolo sviluppati, i loro limiti di applicazione e la loro capacità predittiva del comportamento dei letti di sfere.
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