聚变堆设计研究进展综述

本文综述了2006年度聚变堆设计研究的主要工作，重点是聚变示范堆DEMO设计，ITER实验包层模块（TBM）设计，聚变堆安全分析与高温、高压氦实验回路建设等方面的进展。     

聚变堆工艺与材料研究进展

2006年度聚变堆工艺与材料研究主要在以下3个方面取得进展，即ITER项目第一壁板制造技术资质论证预研及屏蔽模块设计分析，聚变堆低活性结构材料及高原子序数面对等离子体材料研究和聚变堆液态金属包层磁流体动力学效应研究。     

氦冷固态增殖剂聚变示范堆（HCSB—DEMO）包层的概念设计与分析

1引言 聚变示范堆（DEMO）是ITER运行后下一步聚变实践发展的方向。DEMO堆的设计研发是为将来建造商用聚变堆奠定科学和一程基础，是对聚变堆相关的技术、材料、经济性、安全性、环境和废物处理各方而进行全方位的验证评估；所以DEMO堆的设计中，包层是最重要的部件之一，中子倍增和氚增殖均发生在这一区域中。     

ITER中国氦冷固态氚增殖剂实验包层模块中子学设计

实验包层模块（Test Blanket Module，TBM）是将在ITER装置上进行实验的关键部件，它放在ITER装置中子流强最高、热流密度最大的赤道面位置，直接面对等离子体。TBM是为将来发展DEMO聚变堆包层技术而进行模拟和测试未来聚变电站相关材料和技术的重要实验平台。     

聚变-裂变混合堆──中国发展增殖堆的道路

核能是21世纪的替代能源,远期靠聚变能,前期靠裂变能.地球上天然铀储量不多,必须充分利用丰产核238U和232Th.裂变增殖堆(快堆)和聚变增殖堆(聚变-裂变混合堆)是利用238U和232Th的两条主要途径. 聚变-裂变混合堆概念早在五十年代初就已提出[1].1960年,英国J.W.Weale的DT中子在天然铀铀柱中的宏观实验[2],为混合堆奠定了实验基础.六十年代开展了大量混合堆包层中子学理论和实验研究.1965年美国L.N.Loutai第一个提出融盐增殖包层的概念设计[3].1969年美国 L.M.Lidsky第一个提出“混合堆-裂变堆共生系统”概念[4].1972年美国J.D.Lee第一…     

磁约束聚变堆次临界包层概念设计研究进展

为使磁约束聚变堆实现能量放大与氚自持,在其等离子体区周围设置次临界包层和产氚包层。采用天然铀合金燃料、轻水作冷却剂兼慢化剂,内嵌压力管式的次临界包层设计方案,通过对包层物理性能、结构概念设计、热工水力性能和安全分析,表明该方案可将聚变能量放大10倍以上,氚增殖比大于1.15,具有天然的临界安全性和良好余热安全性能。立足于近中期可利用的聚变技术,力争实现聚变能源的提前商用,为我国能源可持续发展提供一种有竞争力的技术选项。     

Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆总体概念研究进展

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)在核安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境、气候问题的新能源。从Z箍缩驱动聚变方案与聚变靶设计、重复频率驱动器、次临界包层及产氚包层设计、燃料循环等关键问题方面,对Z-FFR工程概念总体研究情况进行了介绍。     

ST托卡马克聚变堆嬗变中子学初步设计

从ITER设计概念外推到发电的托卡马克堆，被称为“标准的”或“传统的”托卡马克聚变堆。鉴于“传统的”托卡马克的致命缺点，比如非稳态运行、聚变功率密度低、装置尺寸大、电成本高等。为此，人们努力寻求一种先进的托卡马克概念，最终建成在结构简单、运行稳定、经济上有吸引力的聚变电站。     

聚变裂变混合堆设计中的中子学问题

本文简要叙述了聚变裂变混合堆包层设计所涉及的中子γ光子耦合输运方程、核子数密度方程及有关计算机程序系统；介绍用于聚变堆设计的核数据工作现状及未来工作重点。     

等离子体破裂工况下的聚变堆包层组件电磁分析

在聚变堆中,包层是真空室内的核心部件之一,它直接面对等离子体,工作环境十分恶劣。利用ANSYS 软件的矢量电磁法,计算了中国聚变工程实验堆(CFETR)包层在离子体破裂和垂直位移事件中感应的涡电流和电磁力。介绍了建模、电流源加载、边界条件的设置、求解和计算结果。这为今后包层组件结构的详细设计和优化提供了必要的参考数据和方法。     

ITERʵ�����ƻ�����

简要介绍了ITER计划的发展历程;综述了ITER实验包层模块计划(ITER-TBM)的历史、主要技术路线和最新的设计与研发进展;概述了与实验包层计划相关的DEMO聚变堆的定义与发展策略。最后,介绍了国内开展的基于固体增殖剂概念的ITER实验包层的初步设计概况,对TBM的研发计划提出了建议。     

共生聚变堆

本文提出一种以发展聚变动力为主的共生式途径。它以当前正在出现的这一代聚变物理试验堆为起点,分成两路进行,一路是纯聚变堆,另一路是单个的氘发生器,可能是聚变裂变混合堆,它给纯聚变堆补充所需的氘。这两类堆长期结合共生,配合发展.形成一系需氚的纯聚变堆和一系供氚的混合堆,统一优化,保持氚自给,消耗氘锂和快中子裂变材料,提供净输出功率。 对纯聚变堆方面,放弃了传统的氚自给这一基本要求。能量的有效回收成为设计:的主要前提。优化的结果,用12—15厘米厚的含锂的水作为中子慢化回收能量的介质,附带地还能再生所耗氚的80％。不足的20％稍多的氚,将长期地由一个具有低Q聚变芯并依照生产氚的要求来改型并优化的一比一聚变裂变堆来补充。共生的两个堆,尺寸都较小,在等离子体物理和工程上有一些优点。对共生堆和具有相等总输出功率的,一般氚自给聚变堆作了比较,表明在动力经济上有相当大的收益。 简单地讨论了几种有关的概念。     

ITER HC-SB TBM中子学计算

ITER实验包层模块（TBM）是验证未来聚变反应堆能否实现氚自持、高热量提取的重要实验平台，也是将来发展DEMO聚变堆包层技术而进行电磁陛能测试、热工水力学测试、氚增殖实验的重要工具。TBM位置在ITER装置中中子流强最高、热流密度最大的赤道面，因其位置的强中子辐照特性，TBM中的大量问题都受中子的影响。由于ITER对自身安全的严格要求和对TBM安全性能的要求限制，所以准确计算TBM内部与中子学有关的中子通量、功率密度分布和氚增殖特性等显得非常重要。     

球形托卡马克聚变嬗变堆中子学设计

基于对球形托卡马克ST聚变堆的研究,提出了ST聚变嬗变堆的设计概念。对堆芯参数作了初步选择,确定了一组适合于嬗变包层的堆芯参数供中子学计算和结构设计参考,给出了在以嬗变次锕系元素（MA）核废物为目标的一维中子学计算结果。     

球环型氚生产聚变堆概念设计

先进的球环型氚生产聚变堆是聚变能发展的中间应用产物。与传统托卡马克氚生产堆不同，在设计中利用了球形环的先进等离子体物理性能，并具有紧凑的结构特征，尽量利用真空室内的空间安置氚生产包层以减少氚泄露而增加氚增殖率，达到年生产富余氚lkg的目的，相应的堆利用因子为40％。在二维中子学计算的基础上，提出了ST-TPR的初步概念设计．为下一步更详细具体的概念设计提供了直接的依据和重要的参考价值。     

聚变-裂变混合堆系统在能源战略中的地位及其设计中若干问题的分析

简要描述聚变-裂变混合堆在长期能源发展战略中的地位,着重计算分析具有不同类型的聚变堆芯和包层的混合堆生产电能和可裂变核燃料的能力,研究不同类型聚变-裂变混合堆与其支持的卫星堆(如压水堆)组合燃料循环系统生产电能的能力.指出以天然铀或贫化铀为燃料,水冷却的包层设计是一种经济可行、技术风险较小的设计方案.     

ITER CH HCSB TBM一维中子学优化设计

1引言 ITER实验包层模块（Test Blanket Modules，TBM）是验证未来聚变反应堆能否实现氚自持、高热量提取的重要实验平台，也是将来发展DEMO聚变堆包层技术而进行电磁性能测试、热工水力学测试、氚增殖实验的重要工具。由于ITER对自身安全的严格要求和对TBM安全性的要求限制，TBM内部能量产生的多少和最大功率密度及其分布等参数都非常重要。同时，产氚实验也是TBM重要的目的之一，它关系到热核聚变堆氚燃料的供给。因此，提高TBM的氚增殖性能的优化设计同样具有十分重要的意义。     

聚变堆氚系统设计中的一些重要问题研究(Ⅱ)

在文献[1]中,计算了FEB-E 聚变堆PFC 材料内的氚滞留量、堆系统总的氚投料量、启动运行开始阶段的氚坑深度和氚坑时间大小。这里将讨论在ITER 的TBM 氚增殖包层内固体氚增殖剂中的氚如何高效率地被载氚气体带出并且以高效率地提取回收。本部分将进行创新的探索性研究并且提出某些减少氚滞留量和改善氚提取回收效率的新方案,例如：基于氘饱和的海绵效应;第一壁表面建立氘和铍的伴同沉积层;基于在低频外电场作用下载氚气分子和硅酸锂颗粒电极化旋转催化同位素交换速率的增强载氚气提取氚效率“SPB 方法”。     

聚变实验增殖堆FEB-E放射性废物处置指标的计算

应用中子输运程序ＢＩＳＯＮ３．０、增殖堆放射性计算程序ＦＤＫＲ、剂量率计算程序ＤＯＳＥ完成了聚变实验增殖堆ＦＥＢ－Ｅ的放射性、核废物特性及废物处置额定容量（ＷＤＲ）的计算。结果表明,在停堆以后几周内,ＦＥＢ－Ｅ设计的经一壁和包层结构材料满足１０ＣＦＲ６１Ｃ级核废物处置额定容量的要求。对包层中的重要锕系元素＾２３２Ｕ、＾２３７Ｎｐ的含量也作了计算分析。     

聚变堆包层流动锂液帘与堆芯兼容性评估

运用零维模型分析了液态锂作为包层流动液帘与堆芯等离子体的兼容性,得到了液态锂工作温度对堆芯有效平均等离子体电荷Zeff、燃料稀释以及聚变功率之间的关系。结果表明在正常工作情况下,液态锂的蒸发对Zeff的影响不是很严重,但对燃料稀释和聚变功率的影响却较为敏感。在具有较高功率密度的反剪切位形聚变实验增殖堆FEB E设计方案Ⅱ的条件下,计算了液态锂的流速与它表面最大温升的关系,结果表明,即便对0.5m·s-1的低速流动液态锂,其蒸发对聚变等离子体的影响甚微。最后对氢同位素饱和状态下液态锂包层表面的溅射作了初步的讨论。