Predictive simulation, active diagnosis and dynamic monitoring for tritium processing systems

Abstract

(English) Nuclear fusion has been under development for years, showing consistent advancements toward becoming a clean and efficient energy source. However, significant challenges persist in this field, with tritium handling being a major concern. Tritium, a radioactive form of hydrogen used as fuel for fusion, presents unique issues due to its ability to penetrate walls and interact with water and organic compounds. In ITER, where tritium will be used on a large scale (reaching quantities in the order of kilograms), ensuring plant safety is critical. The plant must periodically halt operations to consolidate all process streams for tritium accounting, a time-consuming process that can last hours. This practice is impractical for future industrial fusion plants aspiring for economic feasibility, especially considering the pulsating nature of tokamak burn phases.

This thesis proposes a dynamic monitoring framework to address these challenges and improve static tritium accounting. Leveraging first-principle simulation models and data-driven methodologies such as fault detection and time series forecasting, the framework aims to provide continuous, reliable tritium inventory updates. The framework's effectiveness is verified using the Tennessee Eastman process, a process engineering virtual plant, and validated on a representative tritium processing system: the Tokamak Exhaust Processing system.

(Català) La fusió nuclear, després d'anys de desenvolupament, mostra progressos dia a dia per convertir-se en una font d'energia neta i eficient. Tot i això, encara hi ha reptes importants en aquest camp, entre els quals destaca la gestió del triti. El triti, una forma radioactiva de l'hidrogen utilitzada com a combustible per a fusió, presenta dificultats úniques a causa de la seva capacitat per permear parets i interactuar amb aigua i compostos orgànics.

A ITER, on el triti s'utilitzarà a gran escala (aconseguint quantitats de l'ordre de quilograms), garantir la seguretat de la planta és fonamental. Per fer-ho, la planta ha d'aturar periòdicament l'operació per consolidar tots els cabals del sistema i comptabilitzar el triti, un procés que pot trigar hores. Aquest procediment és poc pràctic per a les futures plantes de fusió industrials que aspiren a ser viables econòmicament, especialment tenint en compte la naturalesa polsant de les fases d'operació del tokamak.

Aquesta tesi proposa un marc de monitorització dinàmica per abordar aquests reptes i millorar la comptabilitat estàtica del triti. Aprofitant models de simulació de primers principis i metodologies basades en dades com ara la detecció d'errades i la predicció de sèries temporals, el marc pretén proporcionar actualitzacions contínues i fiables de l'inventari de triti. L'eficàcia del marc es verifica utilitzant el procés Tennessee Eastman, una planta virtual d'enginyeria de procés, i es valida en un sistema representatiu de processament de triti: el Tokamak Exhaust Processing.

(Español) La fusión nuclear, tras años de desarrollo, muestra progresos día a día de cara a convertirse en una fuente de energía limpia y eficiente. Sin embargo, aún hay importantes retos en este campo, entre los que destaca la gestión del tritio. El tritio, una forma radiactiva del hidrógeno utilizada como combustible para fusión, presenta dificultades únicas debido a su capacidad para permear paredes e interactuar con agua y compuestos orgánicos.

En ITER, donde el tritio se utilizará a gran escala (alcanzando cantidades del orden de kilogramos), garantizar la seguridad de la planta es fundamental. Para ello, la planta debe detener periódicamente la operación para consolidar todos los caudales del sistema y contabilizar el tritio, un proceso que puede tardar horas. Este procedimiento es poco práctico para las futuras plantas de fusión industriales que aspiran ser viables económicamente, especialmente teniendo en cuenta la naturaleza pulsante de las fases de operación del tokamak.

Esta tesis propone un marco de monitorización dinámica para abordar estos retos y mejorar la contabilidad estática del tritio. Aprovechando modelos de simulación de primeros principios y metodologías basadas en datos como la detección de fallos y la predicción de series temporales, el marco pretende proporcionar actualizaciones continuas y fiables del inventario de tritio. La eficacia del marco se verifica utilizando el proceso Tennessee Eastman, una planta virtual de ingeniería de proceso, y se valida en un sistema representativo de procesado de tritio: el Tokamak Exhaust Processing.