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。     

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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。     

Neutronics Calculation of ITER HC-SB TBM

ITER＇s test blanket modules （ TBM ） is a test-bed to demonstrate tritium self-sufficiency and extraction of high-grade heat for a future fusion reactor. It is also a test plateform to test electro- magnetic, thermo-hydraulic and tritium breeder for DEMO blanket relevant technologies. A great deal of the largest and the most important nuclear issues are related to neutronics. In consideration of strict requirements of absolute safe operation for ITER and TBM, all of probable or potential problems of TBM must be investigated such as power generation, tritium generation, thermo-hydraulics and energy production and so on.     

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ITER实验包层模块(TBM)的中子学问题与系统的氚增殖、热工水力、安全等问题密切相关,因此TBM的中子学优化设计极为重要。在CHHCSBTBM设计描述报告的一维中子学计算模型的基础上,利用一维中子输运计算程序ONEDANT和配套的数据库,以功率密度和氚增殖比等参数为优化目标进行中子学优化设计,得到了更为合理的中子学设计方案。     

聚变堆与聚变堆材料——ITER氦冷固态增殖剂实验包层模块初步设计

ITER将扮演第一次在聚变堆环境下进行包层实验的重要角色。对发展示范聚变堆的一些关键技术，如氚的自持、高等级热负荷的排出、设计标准的确定、安全需求和环境问题等将在ITER实验包层模块（test blanket module，TBM）中进行实验验证。     

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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。     

ITER氦冷固态增殖剂试验包层模块中子学设计与优化

针对ITER中国氦冷固态增殖剂试验包层模块(HCCB TBM)的概念设计方案进行了初步中子学设计和优化。在铍球床填充率从80%降为62%的情况下,通过调整TBM内部结构的材料和布置,提出了一种中子学性能更好且满足安全要求的设计方案。计算结果表明,优化后HCCB TBM的产氚率比概念设计值提高的满功率运行一天后的产氚量为0.42mg,但总核热和最大功率密度有了一定降低。     

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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。     

中国氦冷固态增殖剂试验包层模块系统活化计算分析

基于中国氦冷固态增殖剂试验包层模块(CN HCCB TBM)的最新设计方案和ITER提供的中子学基准模型C-lite,采用国际通用的Monte Carlo粒子输运程序MCNP和欧洲活化程序FISPACT-2007对HCCB TBM及其辅助系统(统称为HCCB TBS)进行了详细的活化计算分析,得到并讨论了各结构部件的放射性、余热和接触剂量率结果。结果表明,停堆时HCCB TBM模块的总放射性和总余热分别为2.348×10¹⁶ Bq和5.826 kW。活化计算结果可以为TBS的安全分析、维护和放射性废物处置等提供数据基础和分析依据。     

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基于中国氦冷固态增殖剂试验包层模块(CN HCCB TBM)的最新设计方案和ITER提供的中子学基准模型C-lite,采用国际通用的Monte Carlo粒子输运程序MCNP和欧洲活化程序FISPACT-2007对HCCB TBM及其辅助系统(统称为HCCB TBS)进行了详细的活化计算分析,得到并讨论了各结构部件的放射性、余热和接触剂量率结果.结果表明,停堆时HCCB TBM模块的总放射性和总余热分别为2.348×1016 Bq和5.826 kW.活化计算结果可以为TBS的安全分析、维护和放射性废物处置等提供数据基础和分析依据.     

中国ITER固态实验包层模块活化计算分析

根据中国ITER实验包层模块CH HCSB TBM设计结构建立了TBM径向一维模型。运用燃耗计算程序BISON、聚变堆放射性计算程序FDKR和衰变链数据库AFDC-DLIB,计算了TBM设计中不同停堆时间活化产物的放射性、余热沉积、潜在生物危害因子BHP和辐射剂量,并根据计算结果初步得出相应的变化规律。计算结果表明,对于HCSB TBM来说,在500MW聚变功率下运行一年,停堆时的总放射性、余热、BHP分别为4.587×10¹⁵Bq, 9.009×10^-3MW和90.73 km³•kW^-1,后板处辐射剂量3.278×10⁵ mSv•h^-1。结果表明,CH HCSB TBM不存在突出的放射性环境安全问题。     

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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.     

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。     

均匀化模型对CFETR氦冷包层中子学影响研究

在CFETR氦冷固态包层及球床结构的最新概念设计方案中,基于均匀化模型、仅球床均匀化模型与高保真模型分别进行了中子学计算分析.研究了结构均匀化及球床空间自屏效应对包层中子学影响以及小球尺寸对氚增殖比的影响.结果表明,(1)结构均匀化模型对氦冷包层中子学影响较小;(2)随着小球直径的减少,球床空间自屏效应堆氚增殖比的影响...     

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为进一步优化实验包层模块的热工水力性能,分别研究了实验包层模块的两种不同冷却方案在正常和极端两种不同工况下的温度分布。用流体数值分析软件FLUENT模拟了实验包层模块关键部件的实际温度分布状况。     

ITER中子通量监测控制系统建模与设计

根据中子诊断系统测量和控制的需求分析,在Enterprise Architect平台上建立了中子通量监测系统的设计模型。按照ITER制定的仪器控制系统框架,基于用例以及延伸出的系统需求和用户需求,进行了包括信号调理、运行控制、测量计算等功能的详细分析。通过功能映射设计出等离子放电、设备维护检修以及系统验收测试等工作模式下的自动运行流程,完成了符合ITER控制、数据采集及通讯规范的软硬件架构以及与ITER中央控制系统集成的初步设计方案。