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给出了中国ITER氦冷固体增殖剂(HCSB)实验包层模块(TBM)整体结构的初步设计。结构设计方案以低活性铁素体钢(RAFS)为结构材料,稳定性极好的惰性氦气作为冷却剂,陶瓷硅酸锂小球为氚增殖材料。包层结构的设计特点是,采用模块化的设计方案,从而提高了包层的可靠性和安全性。     

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介绍了中国氦冷球床实验包层模块(CHHCSBTBM)设计中固体氚增殖剂陶瓷球的功能要求。考虑正硅酸锂(Li4SiO4)作为第一候选材料。对其陶瓷粉体的制作方法、微球成型方法和微球中氚的释放、辐射稳定性等进行了简要介绍,并概述了我国在固体氚增殖剂研究方面已经开展的工作。     

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给出了氦冷却固体增殖剂中子学和产氚包层模块(NT-TBM-HCSB)聚变中子诊断的初步设计,提出了用固定或可移动位置微型裂变室探测器和可移动封装薄箔活化分析系统测量中子倍增器之后、固体氚增殖剂中及其后的中子通量;用可移动天然金刚石探测器的紧凑型能谱仪测量中子能谱。此诊断系统可用于中子倍增器的倍增效率,氚增殖层的增殖率与热核实验聚变堆的运行参数、加热和加料方式、磁流体不稳定性、能量约束以及大破裂等离子体参数和状态之间的工程和物理相关关系的实验研究,测量倍增层、氚增殖包层及其后进入屏蔽层的中子通量和能谱,并与MCNP计算相比较,优化和改进中子倍增器、氚增殖包层以及屏蔽层设计,提高氚增殖率。     

水冷陶瓷增殖剂包层氚输运分析

基于2015版本中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷陶瓷增殖剂(WCCB)包层模块设计特点,建立详细的氚输运分析模型,对不同包层模块(包括不同的增殖区)、载氚气回路、冷却剂回路和蒸汽发生器中的氚输运进行分析。结果表明不同包层模块氚的浓度、渗透量、滞留量均不同,全堆所有包层模块增殖区中氚的滞留量为6.62×10-2g,结构材料中氚滞留量为2.01g,载氚气和冷却剂回路中氚滞留量分别为4.03×10~(-4)g和0.19g,氚通过蒸汽发生器的渗透量为20mg?y~(-1),冷却剂回路中氚渗透到管道外的量为0.1mg?y~(-1)。     

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”。     

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根据第一壁后聚变中子通量和能谱的空间分布和 ITER 可能输出的聚变功率、聚变中子产额、第一壁(产氚包层)之后的中子通量的蒙塔-卡罗中子输运(MCNP)计算,对氦冷却固体增殖剂中子学和产氚包层模块(NT-TBM-HCSB)的聚变中子诊断提出概念性设计,本设计提出用固定位置微型裂变室探测器和可移动封装薄箔活化分析系统测量中子倍增器之后、固体氚增殖剂中及其后的中子通量;用可移动天然金刚石探测器的紧凑型能谱仪测量中子能谱。     

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。     

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。     

紧凑型托卡马克聚变实验堆包层设计及中子学分析

利用蒙特卡罗粒子输运程序MCNP,对紧凑型托卡马克(CT)聚变实验堆方案进行了三维中子学计算分析,特别是氚增殖比(TBR)计算。包层采用了氦冷固态包层(HCCB Blanket)概念,选用正硅酸锂(Li₄SiO₄)作为氚增殖剂,铍作为中子倍增剂,低活化铁素体钢为结构材料。给出了不同增殖单元在不同的排列方式下,TBR 随增殖单元厚度的变化情况,得到了满足氚自持条件下的初步优化的包层设计方案,给出了相关中子壁负载、能量沉积和功率密度的相关特性结果,为后续热工水力和相关设计分析提供了数据支持。     

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。     

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。     

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。     

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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.     

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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.     

产氚锂陶瓷微球

聚变能源的开发是解决人类能源危机的重要途径之一,包层产氚是实现聚变能源的核心技术,特别是在目前的国际ITER合作计划中明确指出,各ITER参与国将提供自行设计加工的产氚包层参加ITER实验。产氚材料作为重要的一种包层材料,在产氚实验包层的设计、研发中具有重要作用。中国固态TBM产氚实验包层设计初步选择Li4SiO4陶瓷微球作为首选氚增殖剂,Li2TiO3及其他性能优异的锂陶瓷作为候选材料。     

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聚变堆第一壁表面和PFC材料内的氚滞留量、堆系统总的氚投料量多高？在启动和运行的开始阶段的氚坑深度,氚坑时间的大小是多少？在TBM氚增殖包层内固体氚增殖剂中的氚能否高效率地被载氚气体带出来并且以高效率地提取回收？能否找到某些新机制解决这些问题是决定实现ITER的预期目标和最终实现聚变能的实际运用成败的关键问题。本文第(Ⅰ)部分回答前面两个问题,在下期第(Ⅱ)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增强提高载氚气提取氚效率“SPB方法”等等。     

FEB聚变实验增殖堆氚投料量及氚回收的研究

运用三维ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ程序ＭＯＲＳＥ＿ＣＧＴ，计算了变实验增堆ＦＥＢ满功率运行１０ｄ后外侧包层各区中的氚浓度、运行１天后的内侧包层各区中的氚浓度及运行１ＦＰＹ后Ｂｅ球中的氚投料量，设计了ＦＥＢ堆现场氚的分布流程图。采用组合于燃料净化系统和低温分馏法从等离子体排出气体中回收氚，讨论了从液态锂中回收氚的几种方案用于ＦＥＢ的可行性。     

实验包层氚增殖区提氚气体换热研究

描述了提氚气体(氦气)进入氚增值区后被正硅酸锂(Li4Si O4)小球加热的过程。通过现有实验包层(TBM)设计参数完成的提氚气体温升理论计算和三维数值模拟验证计算得到提氚气体经过球床时温度可以很快从20℃升到500℃。因此,在进行提氚系统设计优化时,中国设计的实验包层模块不需要增加额外设备对提氚气体进行预热。     

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针对中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷陶瓷增殖剂包层(WCCB)基本方案,进行了中子学试验模块初步设计与分析.试验模块由3个氚增殖区、2个中子倍增区、3个冷却板以及第一壁、钨保护层、背板组成,并在试验模块中放置碳酸锂探测器进行氚测量.通过MCNP输运程序和IAEA发布的聚变评价核数据库FENDEL-2.1对试验模块中子学性能进行评估,获得了试验模块各区域的中子能谱以及氚产生率(TPR)值;各个区域中子径向通量以及由中子能谱所得到的边缘效应,表明内部区域能谱最能代表原包层的中子能谱;加反射层能提高试验模块的TPR值,综合考虑能谱,TPR以及经济等因素,加钢反射层是较好的选择.     

CFETR水冷陶瓷包层中子学试验模块初步设计与分析

针对中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷陶瓷增殖剂包层(WCCB)基本方案,进行了中子学试验模块初步设计与分析。试验模块由3个氚增殖区、2个中子倍增区、3个冷却板以及第一壁、钨保护层、背板组成,并在试验模块中放置碳酸锂探测器进行氚测量。通过MCNP输运程序和IAEA发布的聚变评价核数据库FENDEL-2.1对试验模块中子学性能进行评估,获得了试验模块各区域的中子能谱以及氚产生率(TPR)值;各个区域中子径向通量以及由中子能谱所得到的边缘效应,表明内部区域能谱最能代表原包层的中子能谱;加反射层能提高试验模块的TPR值,综合考虑能谱,TPR以及经济等因素,加钢反射层是较好的选择。