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。

溶胶凝胶法制备铝硅酸锂氚增殖陶瓷粉体

铝硅酸锂(Li_(9)AlSiO_(8))陶瓷材料可以结合偏铝酸锂(LiAlO_(2))和正硅酸锂(Li_(4)SiO_(4))的优点,显著提升锂含量、热导率和机械性能,获得较高的氚增殖率、释氚能力和球床稳定性。制备Li_(9)AlSiO_(8)采用溶胶凝胶法,通过水解和缩合反应获得凝胶,再通过高温烧结获得陶瓷粉体。通过热重-差示扫描量热分析确定干凝胶的预分解温度和产物的烧结温度。对烧结的产物粉体进行X射线衍射和扫描电子显微镜分析,获得产物的晶相、晶格常数和粒径等,进而计算得到材料锂含量。

固态氚增殖包层中球床堆积性能研究

基于球床堆积实验和离散元数值模拟对包层中球床的堆积性能做了初步研究。圆柱形一元(单尺寸颗粒)球床的堆积性能的结果显示随着球床直径与颗粒直径比的增大,球床的平均堆积因子逐渐增高,实验与模拟结果一致;采用二元颗粒(双尺寸颗粒)、提高颗粒粒度比可以显著提高球床的堆积因子,二元球床的堆积因子随着大颗粒体积分数的增加先增加后减小,在大颗粒体积分数约为60%～80%时达到最大。优化了二元球床的填充工艺,最终二元球床的堆积因子基本达到0.8,但球床的均匀性欠佳。

固体氚增殖剂的制备及性能综述

聚变或聚变-裂变混合堆中通常采用含锂的材料作为氚增殖剂。概述并比较了氚增殖剂的几种制备方法,就几种氚增殖剂的热学、化学、机械性能、辐照行为和氚释放等进行了综合评述,简单介绍了氚增殖剂在聚变堆中的作用和发展趋势,为我国实验包层模块(TBM)产氚包层中氚增殖剂的深入研究奠定了基础。

固态氚增殖剂研究进展

增殖包层作为实现可控核聚变燃料"自持"的关键,不仅能实现氚的增殖,而且起着能量转换的作用,氚增殖剂是其中最重要的功能材料。本文从材料体系的制备、性能以及改性总结了固态氚增殖剂的发展趋势。同时,基于当前的研究现状对固态氚增殖剂的发展进行了展望。

液态锂锡合金氚增殖行为的理论分析

采用气-液两相界面模型和与时间有关的扩散理论及本征函数展开的方法,模拟了Li25Sn75合金的氚增殖行为。计算结果表明:在14MeV能量下,天然Sn的(n,2n)反应宏观截面相对较小,只有1.5b;7Li、6Li产氚随时间变化的规律与LiPb合金、Li2O介质是一致的;Li25Sn75合金对模型厚度比较敏感,随着厚度和6Li丰度的增加,氚增殖比(Tritium Breeding Ratio,TBR)保持上升的趋势。

固体氚增殖材料Li_2TiO_3制备研究进展

富含6Li的锂基陶瓷Li2TiO3以其可观的锂原子密度、低活化性、优异的化学稳定性、与结构材料良好的相容性以及良好的氚低温释放性能,被公认为是一种综合性能优良、最具前途的固体氚增殖剂之一。详细评述国内外固相反应法及各种湿化学法合成Li2TiO3粉末的研究现状,以及固相法、间接湿法和直接湿法制备Li2TiO3陶瓷小球的工艺现状及研究进展,并对其优缺点进行比较,探讨Li2TiO3陶瓷小球制备的未来发展方向。

聚变堆氚增殖层中子学分析

D-T聚变堆包层的主要功能包括氚增殖、能量转换和辐射屏蔽等,包层中子学设计的主要原则是满足聚变堆的氚自持,一般要求包层氚增殖比TBR>1.1。使用与时间有关的扩散理论和本征函数展开方法,研究不同几何线度、6Li丰度的Li2O、LiPb包层材料14 MeV源下的系统通量、氚增殖比的影响,及在不同6Li丰度下6Li、7Li造氚随时间变化的规律。计算中使用了30群截面数据,微观数据来自ENDF/B-VI及JEF-2.2。

固态氚增殖材料Li_4SiO_4陶瓷微球的制备

锂基陶瓷是氚增殖材料的主要选材料之一。以正硅酸乙酯和硝酸锂为主要原料,采用溶胶-凝胶法合成了Li4SiO4陶瓷粉体,利用湿法成球技术制备了毫米级Li4SiO4陶瓷微球。结果表明:PH值对Li4SiO4陶瓷粉体的相结构有较大影响。在中性和酸性条件下得到的是Li4SiO4与Li2SiO3的混合相,而在碱性条件下得到的是纯Li4SiO4相。凝胶剂质量分数在10%的时候能得到球形度跟强度都好的陶瓷球。950℃为Li4SiO4陶瓷微球的最佳烧结温度,此时烧结的陶瓷球的密度最大,为理论密度的85.48%。该研究为获得低成本、高性能的锂基陶瓷微球提供了依据。

单斜相偏锆酸锂陶瓷氚增殖材料研究

单斜相偏锆酸锂是聚变堆中最有前途的氚增殖材料之一。该材料具有较高的锂原子密度和优异的氚释放行为，成为近年来最受重视的陶瓷氚增殖材料。在Ｌｉ２ＯＺｒＯ２二元系中，存在九种不同的锆酸锂相，因此制备单一相的锆酸锂陶瓷十分困难。本文作者以干法制备工艺为基础，从热扩散的角度分析了Ｌｉ２ＺｒＯ３的形成机理，改进了制备工艺，成功地制备出了单斜相Ｌｉ２ＺｒＯ３陶瓷材料粉末样品。经Ｘ射线衍射分析测定样品为单斜相，没有发现任何其它相。

He冷却LLi氚增殖包层的热工水力初步设计

完成了托卡马克工程试验混合堆ＴＥＴＢ－ⅢＨｅ冷液态金属Ｌｉ（ＬＬｉ）氚增殖包层的初步热工水力设计，探讨了包层中载氚的两种可能方式。同时，用程序完成了对第一壁和包层的温度场计算及热工水力设计参数的初步优化。分析结果表明，尽管Ｈｅ气的导热性和密度都比液态金属冷却剂低得多，但仍有可能使堆芯在２．０ＭＰａ的低压下运行，并且包层的热工水力设计参数满足设计要求。

堆内辐照氚增殖剂球床有效热导率分析

氘-氚聚变反应堆中,固态氚增殖剂包层能不断为聚变反应提供氚核素,是实现聚变反应堆商用的关键技术之一。由锂陶瓷小球堆积形成的球床形式的固态氚增殖剂包层具有比表面积大、产氚效率高等优点,是我国重点发展的氚增殖剂包层形式。氚增殖剂球床须能支撑在堆内辐照时的高温环境,这就要求氚增殖剂球床有较好的导热特性。球床的有效热导率在球床设计和辐照过程中的安全分析十分重要,因此在中国先进研究堆(CARR)开展了氚增殖剂球床在堆内辐照环境下的有效热导率测量实验。根据MCNP计算得出的球床发热功率,结合实验测量的球床温度分布反推得到氚增殖剂球床的有效热导率,并与广泛应用于球床有效热导率计算的改进型ZBS模型计算结果以及堆外实验结果进行对比分析,理论值与实验值能较好吻合。

核聚变堆用氚增殖剂材料及其制备技术的研究进展与发展趋势

核聚变能是清洁安全的理想能源,是最终可能解决人类能源问题的途径之一。氚是核聚变的关键原料,自然界中存在稀少,如何利用氘-氚聚变反应产生的中子与含有锂的氚增殖剂材料发生核反应制备氚并使之自持是目前聚变工程堆尚待验证的核心关键技术,且是三大难题之一。常用氚增殖剂材料包括液态含锂金属与固态含锂陶瓷,目前示范堆型设计主要考虑选用固态陶瓷增殖剂,包括硅酸锂(Li4SiO4)、钛酸锂(Li2TiO3)、锆酸锂(Li2ZrO3)、氧化锂(Li2O)等,并将增殖剂包层设计为球床结构。欧盟氦冷球床包层(HCPB)和中国氦冷固态包层(HCSB)中均选用Li4SiO4小球为增殖剂材料。根据以往设计经验,中国聚变工程实验堆(CFETR)也优先考虑硅酸锂小球作为氚增殖剂材料。本文总结了传统氚增殖剂的制备技术,包括锂同位素分离技术、小球成型工艺技术和成型过程中相纯度控制。分析对比了国内、国外氚增殖剂的常用方法的差异与优劣。通过比较发现传统制备技术获得的氚增殖剂小球的性能差异不大,且随着对氚增殖剂材料研究的推进,性能要求愈发严苛,不仅需要满足聚变堆内服役力学性能、产氚性能的要求,还应注重氚释放性能与安全性。传统球床结构目前存在诸如装载密度较低、小球易破碎堵塞提氚通道等缺陷,甚至会危及聚变堆安全,故需要开发结构和性能更优的新一代先进的增殖剂材料。本文综述了传统氚增殖剂材料制备技术,同时指出需要开发新型增殖剂材料的理由。重点阐述了新型一体成型多孔氚增殖剂的综合性能优势,并对新型一体成型多孔氚增殖剂材料研究进行了展望。

IBIL在氚增殖材料研究中的应用

在氚增殖材料辐照效应的研究中,离子激发发光(ion beam induced luminescence,IBIL)是一种高效实用的实时分析技术。本文介绍了国外MeV离子束对多种氚增殖材料的IBIL研究。研究表征了样品中的辐照缺陷特征及其演变情况,对辐照缺陷的产生机制进行了讨论,并提出辐照过程中的相关动力学模型。最后,介绍了北京师范大学串列加速器上IBIL装置应用现状,并对IBIL应用在氚增殖材料研究中的前景进行了讨论。

熔盐包层设计与氚增殖比的计算

通过对聚变堆设计包层进行先后的一维、三维氚增殖比计算与分析,确定合适的模块材料、明确的模块划分以及相应的模块厚度,最终找到了合适的满足氚自持(TBR=1.3162)的熔盐设计包层。

Li_(4)Ti_(x)Si_(1-x)O_(4)氚增殖陶瓷制备及力学性能

正硅酸锂材料锂密度高、释氚性能好,是国际热核聚变实验堆(ITER)主要的候选氚增殖剂材料。通过异质元素掺杂,形成固溶体结构,可提高陶瓷抗压强度。本研究采用固相法合成陶瓷粉体,通过熔融喷雾工艺制备获得密度高、球形度好的Li_(4)Ti_(x)Si_(1-x)O_(4)固溶体陶瓷小球。Ti原子固溶可以改善陶瓷微观结构,提升力学性能。研究结果表明,Li_(4)SiO_(4)陶瓷小球抗压强度随着退火温度的升高而减小,800℃退火2 h后小球抗压强度仅为10.2 N;Li_(4)Ti_(0.1)Si_(0.9)O_(4)陶瓷小球抗压强度较Li_(4)SiO_(4)显著提升,800℃退火2 h后平均抗压强度达26.2 N,且结构及力学性能稳定性好。

氚增殖剂球床内氦气流动特性的数值模拟

通过计算流体力学(CFD)数值模拟方法,对氚增殖剂球床内部的氦气流动特性进行了初步研究。分析了球床流通长度和流通截面对提氚气体压降的影响,获得了不同入口流速下规则堆积球床和随机堆积球床的压降和阻力系数。

水冷氚增殖包层的中子学模拟

建立起锂球壳模型,用三个不同的聚变评价中子数据库——FENDL2.1、FENDL3.0和JEFF3.2分别进行了中子输运模拟,比较了三个数据库的模拟结果。再对水冷增殖包层分别建立一维中子学模型和三维中子学模型,进行中子输运模拟。分析模拟结果表明,选择FENDL3.0作为水冷增殖包层三维中子学模拟的数据库;水冷增殖包层一维中子学模拟优先考虑柱壳模型模拟;水冷氚增殖包层的三维中子学模拟所得氚增殖率TBR能满足氚自持要求;而且外包层的TBR贡献是主要的。

氚增殖剂球床稳态传热数值模拟

聚变堆实验包层结构中包含由锂陶瓷小球随机堆积形成的球床.为研究其传热性能,特别是球床有效热导率随温度的变化规律,采用离散单元法模拟了小球在方形容器中的堆积,并使用该模型进行了稳态传热的数值计算.该几何模型中距壁面不同距离处球床局部堆积系数符合经典关系式,验证了其合理性.由数值计算得到的球床有效热导率随球床平均温度的变化规律也能与相关实验测量值较好地吻合.

双功能液态锂铅包层氚增殖性能分析

双功能液态锂铅(DFLL)包层作为一种高性能的产氚包层,是中国聚变工程实验堆(CFETR)的候选包层之一。氚增殖比(TBR)是产氚包层核心设计参数之一,是评估聚变堆氚自持性能的重要指标,有必要对其进行详细分析。本文介绍了DFLL包层氚增殖性能数值分析与实验验证工作。其中数值分析采用中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC建立了全堆三维中子学模型,计算分析了包层不同位置处的TBR值,并对影响包层氚增殖性能的相关因素,如第一壁材料、钨护甲、包层增殖区厚度、6 Li富集度等进行了敏感性分析及参数优化;实验验证工作利用强流聚变中子源HINEG,开展了DFLL中子学实验模块不同位置产氚率(TPR)测量。研究结果显示,经过优化的DFLL包层TBR设计参数可达到1.208,满足CFETR第一阶段的氚自持要求;实验结果与理论计算结果的最大偏差为8%以内符合,实验结果的测量不确定度在2σ内优于9.8%。