聚变堆增殖包层概念特征比较研究

在广泛调研国际上现有的聚变堆包层概念的基础上,对聚变堆包层的发展现状和需要解决的关键问题进行了总结。从工程可行性、氚增殖提取与控制特征、经济性以及安全和环境影响方面对固态和液态氚增殖剂包层进行了比较分析,系统阐述了各种包层概念的优缺点,从现实可行性与发展潜力方面为未来聚变堆包层概念发展提出建议。

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。

聚变堆氦冷固态包层结构和^6Li富集度对产氚率的影响

在聚变堆固态包层基本参数基础上，建立简化20°模型，包层分第1壁装甲、第1壁冷却板、氚增殖区和支撑结构。分别选择Li4SiO4和Li2O做增殖材料，应用MCNP程序，研究第1壁结构布置和。Li富集度对产氚率的影响。结果表明：^6Li富集度适宜选择在30％～80％之间；第1壁选择Be装甲可提高产氚率；冷却管板的厚度应取3cm以下，以避免对产氚造成不利的影响。

中国超导聚变工程实验堆氦冷固态包层中子学设计分析

根据中国聚变工程实验堆(CFETR)设计要求,参考氦冷固态包层实验包层模块(HCCB TBM)的设计经验,完成了CFETR固态包层的中子学设计分析,并评估了中平面位置可开窗口的最大面积。设计分析结果表明,基于增殖单元的固态包层中子学设计方案的氚增殖比(TBR)达到了1.243,满足CFTER氚自持设计要求;中平面可以开出的辅助窗口的最大面积为11.43m2。

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。

ITER试验包层模块的中子学分析与设计

ITER试验包层模块(TBM)的中子学的设计和计算结果为TBM的其它大多数系统设计提供重要的数据依据。本文首先应用TRANSX程序完成基于FENDL2.0新库制作,以及中子输运程序和数据库的基准检验;然后应用二维中子输运程序TWODANT,计算和分析了中国氦冷Li4SiO4固体氚增殖剂的试验包层模块的功率密度分布、增殖区产氚特性、结构材料的中子辐照特性、结构材料和增殖材料的产氢和产氦等特性,并给出一个经合理优化的TBM中子学初步设计结果。

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。

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。

UASB工艺在啤酒废水处理中的应用

安徽某大型啤酒厂的工程实践证明,采用内循环UASB反应器+好氧工艺处理啤酒废水是可行的。因设计了出水内循环并加装了斜板分离器,在实际调试与运行中UASB系统适应pH值和温度的范围较宽,运行稳定、处理效率高、能耗低,在春季时系统重新启动可很快得以恢复。

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氦冷固态包层设计及热工水力学分析

基于中国聚变工程实验堆(Chinese Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR)提出了一种新型氦冷固态氚增殖包层设计方案。以托卡马克中平面上一块外包层模块为例,系统介绍了该包层概念设计。基于工程流体力学理论,对包层模块内冷却剂的流动特性进行了理论求解。同时采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件CFX,对包层模块流体域和固体域进行耦合传热分析,求解得到冷却剂的流动特性和理论计算难以求解的固体域温度场分布。计算结果表明:理论计算与模拟结果吻合程度良好,冷却剂在包层内总压降为243 k Pa,总温升为194.6°C,运行在合理区间;包层各结构材料在正常运行工况下的温度可以满足材料的最高温度限制要求,为该包层方案的进一步结构优化和安全分析提供参考。

基于压水堆工况下CFETR水冷包层的增殖区破口事故初步分析

中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR)是一个类ITER的聚变实验堆.基于压水堆工况下的水冷包层是其包层设计的一种.使用RELAP5/MOD3.4对压水堆工况下的CFETR水冷包层做了增殖区破口事故的初步分析,详细描述了其事故进程并对事故结果做了简要分析.根据计算结果,CFETR水冷包层在事故中并没有发生面向等离子体第一壁熔化或氢气产量超过限值的情况.由于安全阀的存在,破口后冷却剂可以进入真空室.这使得包层的整体性得到了保障.此外由于真空室体积巨大,破口后其压力最终值也在安全阈值之下.

CFETR固态水冷包层增殖材料对TBR与核热沉积影响的初步分析

中国聚变工程实验堆(CFETR)是正在设计的聚变反应堆。利用蒙特卡罗粒子输运模拟程序MCNP,针对初步设计的以正硅酸锂(Li4SiO4)和钛酸锂(Li2TiO3)为增殖材料的两种固态水冷包层中子学特性进行了计算和分析。通过对不同模型包层氚增殖比、中子壁负载和核热沉积的计算结果的对比分析可知,包层材料和其设计是影响包层中子学性能的主要因素之一。

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。

聚变堆中子倍增剂Be中的杂质活化对其多次回收利用的影响分析

回收和重新利用聚变堆中的放射性物质以避免或减少地表掩埋需求的管理策略已经成为国际聚变堆放废研究的一大趋势。在固态包层被辐照后,中子倍增剂铍(Be)的回收利用具有重要的价值。本文分析了 Be 中的杂质在多次回收利用的辐照循环中的活化对其回收利用的影响。计算结果表明经过 10~20 次的回收利用后,Be 的活度已经接近活化最大值。只有回收操作的接触剂量率限值在 1 Sv/h 量级以上时,才能在停堆冷却数十年内实现 Be 的回收利用。

聚变发电试验堆固态包层瞬态电磁载荷的数值模拟

包层作为聚变堆中最重要的部件之一,其工作状态的分析是保证包层系统安全稳定运行的必要一步.以中国聚变工程试验堆中氦冷固态包层为例,分析包层工作所处的电磁环境,根据等离子破裂的具体工况,利用Ansys Workbench平台中的Maxwell电磁模块进行了磁场系统和包层系统的建模,模拟分析具体工况下固态包层上的瞬态电磁载荷,得到等离子破裂下的涡流分布图、矢量图、电磁力曲线图以及产生的扭矩.可知破裂产生的电磁影响在径向上最大,径向电磁力最大且线性破裂的影响大于指数破裂.为CFETR固态包层的安全分析和进一步设计改进提供参考数据.

水冷包层试验段设计与流动特性研究

针对水冷包层子模块并行通道的流量分配对热量导出的影响,以水冷包层子模块第一壁为研究对象,对其并行通道试验段的模化设计与流量分配特性展开了研究。采用模化方法对第一壁的结构进行设计,得出试验段相关参数。采用计算流体力学(CFD)的方法对模化设计的试验段进行数值模拟,并分析其流动状态。将结果与原型结构下的流动特性参数进行比较,验证了采用模化方法得到的试验段参数可以有效反映水冷包层子模块第一壁的流动特点,为试验装置的搭建提供参考。

高地下水位渠道无砂混凝土垫层流固耦合分析

排水垫层是排除渠道地下渗水的重要途径。目前尚无系统的高地下水位渠道无砂混凝土排水垫层的流固耦合研究成果,高地下水位时无砂混凝土排水垫层的力学性能尚不清楚,制约了其工程应用。基于无砂混凝土排水垫层的混合比试验成果,利用流固耦合理论及有限元分析方法,模拟高地下水位时渠道施工及运行状况,揭示高地下水位渠道无砂混凝土排水垫层的渗流及应力特征。结果表明,无砂混凝土可有效排除渠道地下渗水,可有效避免岩土体颗粒流失,且无砂混凝土排水垫层应力处于安全状态,可以确保施工与运行期渠道工程的安全。该成果已成功应用于南水北调中线干渠宝郏一标段高地下水位页岩段渠道施工中,也可供高地下水位渠道及类似工程建设时参考。

水平砂垫层加速城市固体废弃物降解固结理论研究

针对水平砂垫层加速城市固体废弃物(MSW)降解固结问题,首先,引入连续排水边界条件,建立双层MSW一维降解固结理论模型,得到相应的控制方程;其次,借助有限元软件COMSOL Multiphysics求得方程数值解,同时对固结过程中压缩性和渗透性的非线性变化条件进行简化,推导得到相应的解析解;最后,改变界面参数α取值,讨论排水边界条件对MSW固结性状的影响,探究水平砂垫层的最优铺设位置规律。研究结果表明:随着界面参数α增大,边界排水能力增强,加快了孔压消散速率,加速了主应变发展进程,但并不改变主应变和次应变发展的最终结果;固结度发展速率随着界面参数α增大而增大,在固结前期和中期这种情况更加明显;当时间一定时,边界排水能力逐渐变强,水平砂垫层最优铺设位置上移,即水平砂垫层最优铺设位置会向排水能力弱的边界偏移;与铺设在其他位置相比,水平砂垫层设置在最优铺设位置可以大幅度提高MSW降解固结效率。