ITER氦冷固态实验包层模块第一壁氢同位素双向输运数值分析

氦冷固态实验包层模块(HCCB-TBM)安装于国际热核聚变实验堆(ITER)中,用以验证HCCB包层概念的氚增殖能力与热移出能力。HCCB-TBM第一壁用于承受堆芯等离子体粒子轰击和包容内部功能材料。外侧等离子体驱动氘、氚粒子渗透与内侧氢分压驱动渗透的同时存在,形成了第一壁的双向氢同位素输运。此双向输运可能对第一壁外表面再循环系数、包层增殖氚的纯化产生重要影响。基于商业软件COMSOL建立第一壁双向氢同位素输运模型,研究第一壁的氢同位素的输运特征。仿真结果表明:第一壁中的冷却剂流道具有强的氢同位素移出能力,使得双向输运解耦合;在ITER等离子体脉冲周期中,放电过程中已扩散到材料内部的氚在等离子体关停时扩散回流到真空室侧,关停时的回流将降低向冷却剂流道的氚渗透损失。

基于积分分析方法对聚变堆启动氚量与所需氚增殖比的评估

托卡马克聚变堆的主要发展方式包括混合堆、纯聚变堆。关于托卡马克聚变堆氚自持的研究,国内外主要采用平均滞留时间方法进行研究,并且针对聚变功率较低的混合堆的氚自持研究较少。本工作采用更符合实际的积分分析方法分析了混合堆、纯聚变堆氚自持的启动氚量、氚增殖比(TBR)要求。研究结果表明:启动氚量、备用氚量与聚变功率具有线性关系,所需TBR与聚变功率呈反比例关系;混合堆聚变功率较低,所需TBR较高,工程实现所需TBR挑战较大,需要通过限制长期氚滞留量以降低所需TBR要求;纯聚变堆聚变功率高,所需TBR较低,工程实现所需TBR挑战较小,但备用氚需求达数十千克,应考虑氚系统的冗余设计或提高氚系统的可靠性、可维护性,以降低备用氚的使用规模;运行因子是聚变堆的一个重要设计指标,在此着重分析了运行因子对所需TBR的影响,并重新定义了一个聚变堆氚自持的关系式,以突出运行因子对氚自持的重要影响。

CFETR氦冷固态包层及其辅助系统动态氚输运分析

实现氚自持、建立完整的氚循环系统并保证氚安全是中国聚变工程实验堆(CFETR)的主要目标之一。在CFETR氦冷固态包层及其辅助系统设计过程中,需对系统级氚输运行为进行详细分析,包括氚滞留量、释放量、浓度的动态变化等。基于已建立的动态氚分析程序TriSim-Dynamic,在此基础上进行修改完善,利用该程序对CFETR氦冷固态包层及其辅助系统氚动态输运进行分析模拟,得到了冷却剂及提氚吹扫气中氚浓度、氚分压,管壁及结构材料中氚盘存量,氚通过包层结构材料和辅助系统管壁向真空室、水冷系统及建筑的渗透通量动态变化,并将其稳态值与已进行基准校核的稳态氚分析程序TriSim-SA及理论解析解进行比较,以初步验证分析结果的准确性,数据结果也对CFETR氚安全分析提供了一定的参考。

CFETR氦冷固态增殖包层多物理场氚输运分析

针对中国聚变工程实验堆(CFETR)外中平面氦冷固态增殖包层模块,开展了包层热、流、氚的多物理场耦合模拟分析,获得包层模块的氚分布、氚滞留量及氚渗透量。分析结果显示,在包层球床区无因吹洗气体流动滞缓而造成的氚滞留现象,其吹洗气体流道设计合理。同时,开展了入口吹洗气体掺氢量的参数敏感性分析。分析显示吹洗气体掺氢可以降低材料表面氚浓度,从而降低结构材料中的氚浓度梯度,抑制氚渗透;入口氢气浓度从1ppm增加到1000ppm时,氚渗透量降低为1/20。

脉冲条件下ITER HCCB TBS动态氚输运分析

在ITER脉冲运行条件下对中国氦冷固态增殖剂实验包层系统(HCCB TBS)动态氚输运进行了分析,利用Modelica语言开发了一套动态氚分析程序。对比了在脉冲运行工况及连续运行工况下TBS流体中的氚浓度和分压的动态变化、固体材料中氚盘存量的动态变化以及氚渗透通量的动态变化。脉冲运行下TBS系统氚变化趋势与物理分析结果相符。

低活化铁素体/马氏体钢CLF-1氢氘的渗透行为

低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)作为聚变堆结构材料中最有前景的候选材料,其氢同位素渗透行为备受关注。采用氢同位素气相驱动渗透的方法,对中国低活化铁素体/马氏体钢CLF-1的氢同位素渗透行为进行了研究,研究了温度、气体压强、样品表面状态等因素对其渗透行为的影响。结果表明:氢、氘在RAFM CLF-1钢中渗透扩散过程为体扩散控制,渗透率与温度的关系式均遵循Arrhenius关系;在实验测试过程中,由于样品表面发生氧化现象和缺陷捕获造成H_(2)和D_(2)渗透实验中渗透通量出现下降的现象。