Thermal transients study for the ESS target helium cooling system

Abstract

The European Spallation Source (ESS) is going to be the worlds most powerful spallation source once in full operation. The neutrons used by scientists and engineers are spallated from a rotating wheel of wolfram, being bombarded by accellerated protons. The wheel, also called the target, develops heat in the process, and is therefore cooled by a helium cooling system. The target primary cooling system, named system 1010, is modelled in the language Modelica but is not fully verified, nor has any practical testing been conducted.

ETHEL is a test rig located at LTH, similar in function to that of system 1010. It can be used to conduct experiments, and the results can to some degree be extrapolated to system 1010. A model of ETHEL was constructed. The model was intended to both be faithful to the physical contraints of ETHEL, but also constructed similarly enough to the system 1010 model to allow for extrapolation of the conclusions made.

Transient experiments were formulated, based on expected cases of failure for system 1010. The experiments were conducted on the ETHEL rig, the ETHEL model, and the system 1010 model. Based on the experiment results a model evaluation of the ETHEL model was conducted, both in regards to time-response behaviour, and in regard to data error.

System identification on both the system 1010 model data, and the ETHEL data was
conducted, with the purpose to identify significance of sensor location in the former case, and to determine the relative speed of the sensors in the latter case. Three sensor types were examined for their speed, however the analysis lacked the tools to evaluate their accuracy. The location analysis revealed that the exact location of the sensor in the system 1010 model did not significantly impact the time-response.

The model evaluation showed that the ETHEL model performance was qualitatively good, demonstrating a good time-response compare to the real system, however significant quantitative errors were found. The results were extrapolated to the system 1010 model and its real counterpart. This implies that the location analysis is fair to the real system, and further conclusions about this fact was made.

Abstract (Swedish)

The European Spallation Source (sv: Europeiska Spallationskällan) kommer att bli den mest kraftfulla spallationskällan i världen när den är i drift vid full kapacitet. Neutronerna som används av vetenskapsmän och ingenjörer är spallerade från ett roterande hjul av volfram, som blir bombarderat av accellererade protoner. Hjulet, även kallat målet, upplever värmeutveckling under spallationsprocessen, och är därför kyld av ett kylningssystem som använder helium. Målets primära kylsystem, även kallat system 1010, har blivit modellerat i programmeringsspråket Modelica, men är varken fullt verifierad eller praktiskt utvärderad.

ETHEL är en test-rigg placerad vid LTH, och liknar system 1010 i funktion. Den kan användas för att utföra experiment, och resultaten kan till viss grad extrapoleras till system 1010. En modell av ETHEL var konstruerad. Modellen hade syftet att vara både trogen till de fysikaliska begränsningarna för ETHEL, och att konstrueras lika nog system 1010 modellen för att kunna extrapolera gjorda slutsatser.

Transienta experiment formulerades, baserade på förväntade funktionsavbrott för system 1010. Experimenten utfördes på ETHEL-riggen, ETHEL-modellen, samt system 1010 modellen. Baserat på resultaten från experimenten utvärderades ETHEL modellen, både i avseende på tidssvar, samt avseende på dataavvikelse.

Systemidentifiering på både system 1010 modelldatan och datan från ETHEL utfördes,
med syftet att bedöma betydelsen av sensor-placering med den förstnämnda datan, samt att bedöma den relativa snabbheten med den sistnämnda. Tre sensortyper undersöktes i avseende av snabbhet, men analysen saknade verktygen att avgöra sensorns pricksäkerhet. Placeringsanalysen visade att sensors placering i system 1010 modellen inte signifikant påverkade tidssvaret.

Modellutvärderingen visade att ETHEL-modellen presterad kvalitativt bra, den visade
tidssvar som väl jämfördes med det riktiga datan, men att betydande kvantitativa
fel upptäcktes. Resultaten extrapolerades till system 1010 modellen och dess riktiga motsvarighet. Resultaten implicerade att placerings-analysen var trogen till det riktiga system, och vidare slutsatser kring detta resultat kunde dras.

Popular Abstract (Swedish)

The European Spallation Source (sv: Europeiska Spallationskällan) kommer att bli den mest kraftfulla spallationskällan i världen när den är i drift vid full kapacitet i 2027, med nästan samma effekt som 4000 mikrovågsugnar samtidigt. Spalleringen producerar neutroner som i sin tur används av vetenskapsmän och ingenjörer. Det sker genom att man bombarderar ett roterande hjul av tungsten med protoner. Hjulet värms upp under spallationsprocessen till väldigt höga temperaturer, och är därför kyld av ett kylningssystem.

Målet med arbetet var att testa och utvärdera det primära kylsystemets matematiska modeller, så att ingenjörer som jobbar på ESS kan förutspå huruvida systemet kommer att fungera, redan innan det är byggt. Det var även tanken att man kan utvärdera vart man ska sätta temperatursensorer i kylsystemet, och av vilken typ dessa ska vara.

Med hjälp till detta användes ETHEL, en testrigg placerad vid LTH, och liknar kylsystemet i funktion. Den kan användas för att utföra experiment, och från resultaten mellan ETHEL och sin modell, kan säga saker om förhållandet mellan kylsystemet och dess modell.

Först var man tvungen att komma på bra experiment att utföra på modellerna och på ETHEL. Man kollade i riskanalyser för ESS, och såg några händelser som kunde uppstå, och återskapade dem för de alla systemen man skulle utföra experimenten på.

Sedan kunde man, från resultaten av experimenten säga saker om modellen och sensorerna. Det viktigaste var att modellen betedde sig på samma sätt som systemet, bra! Tyvärr, kanske ganska fel i de exakta siffrorna, men tidsskalan stämde.

Med grund i att tidsskalan för modellen stämmer kan man se hur lång tid sensorerna tar för att se en temperaturändring, då vi ändrar någonting annat i systemet, och vi kan lita på att det stämmer för det verkliga systemet. Det visade sig att det tunga tungstenshjulet absorberar en hel del energi, och därför tar ett bra tag innan man ser någon ändring alls från senorerna, och ännu längre tills de visar rätt svar.

• author: Björk, Hannes
• supervisor: Jens Klingmann; Marcus Thern
• organization: Department of Energy Sciences
• course: MVKM01 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: ESS, European Spallation Source, models, Modelica, system identification, sensors, cooling system
• report number: LUTMDN/TMHP-22/5502-SE
• ISSN: 0282-1990
• language: English
• id: 9089519
• date added to LUP: 2022-06-16 11:04:46
• date last changed: 2022-06-16 11:04:46