中国HCSB TBM模块的优化与设计进展

简要介绍国际热核实验反应堆(ITER)对于DEMO增殖包层(DEMO-BB)的科学和实验价值、试验包层模块(TBM)的功能目标及总体测试战略,重点介绍和讨论中国氦冷固态TBM模块自2003年到2010年的设计发展进程情况,如总体结构设计进展、中子学优化、热工水力学优化、电磁结构优化等,总结了一些重要的设计经验。

ITER实验包层模块初步设计(英文)

中国国际热核聚变实验堆(ITER)氦冷固态氚增殖剂实验包层模块(CHITER HC-SB TBM)设计已经完成。给出了HC-SB TBM的总体设计、性能分析和相关辅助系统的设计。HC-SB TBM氚增殖区的设计采用BOT概念,锂陶瓷做氚增殖剂,氦气做冷却剂和载氚介质,铁素体马氏体钢做结构材料,铍做中子倍增材料。设计和分析结果表明,所提出的设计具有高氚增殖率、结构简单和工程上可行的特点。

聚变堆混和球床包层中子学和热工水力特性研究

在聚变堆初步概念设计的基础上，针对固态包层设计路线，提出了一个先进的氦冷固态包层概念。设计采用Be12Ti和Li2TiO8陶瓷小球混和球床，物理和化学相容性好；采用SiC作为结构材料，提高耐高温性能及氦气出口温度。计算结果表明：选择Be12Ti和Li2TiO8球体积比在2和4之间较合理；在Be12Ti和Li2TiO8球体积比为3时，^6Li富集度取30％～80％较适宜；球床的最高温度低于材料的温度限值，温度分布合理均匀。该方案可较大程度提高热效率和改善中子学以及氚增殖性能。

聚变堆交叉冷却固态包层中子学设计优化

针对聚变堆固态包层设计路线,提出了一个交叉排列氦冷固态包层概念。设计采用Be、Li2TiO3分层球床。两种尺寸的氦气冷却管道交叉排列,分两个回路同时冷却,以增加系统安全可靠性。分析比较了4种6Li富集度布置方案。结果表明:径向远离第一壁降低6Li富集度较为合理,靠近第一壁的增殖层6Li富集度不能过低,以减少长期运行中Li的消耗对氚增殖性能的影响。借助蒙特卡罗程序MCNP建立11.25°对称模型,全堆包层氚增殖率为1.176,包层寿期内产氚性能稳定,在包层寿命运行时间内的燃耗分布相对均匀。

中国ITER固态实验包层模块活化特性计算分析

基于中国ITER氦冷固态实验包层(HCSB-TBM)3×6模块化结构设计,对其活化特性进行了计算分析。利用蒙特卡罗程序MCNP及数据库FENDL/2进行三维中子输运计算,在此基础上,使用欧洲活化分析系统EASY-2007进行了详细的活化计算。结果表明,刚停堆时,测试包层模块(TBM)总活度为1.29×1016Bq,总余热为2.46 kW,且均主要受低活化马氏体钢Eurofer材料控制。活度和余热值均在TBM安全设计范围内,且不会对环境造成显著影响。同时,根据计算的接触剂量率可知,TBM中的活化材料均能采取远程操作实现循环再利用。活化计算结果表明,当前的HCSB-TBM设计从中子活化角度满足ITER安全设计需求。

CFETR氦冷固态增殖剂包层产氚性能研究及优化

氦冷固态增殖剂包层是中国聚变工程实验堆(CFETR)的3种候选包层概念之一。本文基于中国核工业西南物理研究院提出的一种氦冷固态增殖剂包层概念,通过蒙特卡罗输运程序MCNP5建立了包层三维中子学模型,探究了不同几何布置方案及结构设计参数对包层产氚性能的影响,得到了全堆氚增殖比(TBR)及极向各包层模块产氚分布,并由优化后的模型得到了包层模块核热分布。结果表明,优化后的TBR达到1.177,满足氚自持的最低要求。

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。

锂陶瓷氚增殖剂的中子辐照性能与产氚行为

D-T聚变堆采用氚增殖剂与中子反应生成氚来保证其燃料的"自持"。Li2O、LiAlO2、Li2ZrO3、Li2TiO3和Li4SiO4等锂陶瓷材料由于具有良好的化学稳定性、机械力学性能和产氚性能等,是聚变堆主要的候选产氚材料,而其在中子辐照环境下的各种性能和行为是氚增殖包层模块设计所关心的重要内容。本文介绍了国际上锂陶瓷产氚增殖剂的辐照实验研究概况,对材料的辐照性能(材料稳定性、热导性、离子电导性和活化性能等)、堆内/堆外产氚行为、影响氚在陶瓷材料中扩散或释放的各种因素以及近来关注较多的辐照缺陷与释氚行为的相互关系等方面进行了归纳、分析和总结,同时针对中国确定的氦冷固态球床包层模块的技术路线,提出了需要广泛而系统地开展锂陶瓷基础研究的建议,指出今后国际上氚增殖剂的研究重点是高燃耗(>10%)和高荷载破坏情况下锂陶瓷材料的辐照产氚性能以及聚变堆氚增殖包层工程条件因素,如磁场、等离子体诱发电流和中子倍增剂等对锂陶瓷小球释氚行为的影响。

ITER中国固态TBM中子倍增剂和氚增殖剂布置优化

在国际热核实验堆(internationalthermonuclearexperimentreactor,ITER)中国氦冷固态实验包层模块(testblanketmodule,TBM)的初步设计的模型基础上,选择不同的中子增殖剂和氚增殖剂体积比,利用粒子输运程序MCNP(MonteCarloN-particletransportcode)对该TBM物理性能进行了研究。根据均匀混和模型的结果,在Be和Li4SiO4的体积比为2至6之间,氚增殖率最大可达1.20。因此,采用Be和Li4SiO4夹层布置,在几何上逼近最优体积比,选择前端Be和Li4SiO4体积比为2时,氚增殖率达到1.158,能够较好地满足聚变运行的氚自持条件。

聚变堆氦冷固态增殖包层中子学分析

聚变堆固态包层框架下,针对初步设计的聚变堆氦冷固态包层进行了中子学分析。选择增殖区的氚增殖剂和中子倍增剂分层分布方案,建立了20°对称D型轮胎环全堆计算模型,对聚变中子源分布离散化处理。借助M on te-C arlo粒子输运程序M CNP对聚变堆包层的氚增殖性能和核热功率进行了计算。结果表明,堆总体氚增殖率达到1.247,核热密度峰值在赤道包层模块,能够实现聚变堆运行的氚自持条件。