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。     

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基于中国ITER氦冷固态增殖剂实验包层(CH HCSB TBM)最新2×6模块化结构设计,用三维中子输运计算程序MCNP/4C和相应数据库,对ITER实验包层模块设计的中子学问题进行计算分析,计算出在实际运行工况下,氚增殖率为0.0123g.d-1,整个TBM内的核热沉积为0.587MW。在各材料区内,最高功率密度为6.26MW.m-3,同时给出了不同材料区的功率密度。     

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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。     

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基于中国ITER氦冷固态增殖剂试验包层(CHHCSBTBM)3×3模块化结构设计,借助一维中子输运计算程序ONEDANT和二维中子输运计算程序TWODANT,对ITER实验包层模块(TBM)设计的中子学问题进行计算。计算出产氚增殖比以及不同材料区的功率密度、中子通量分布和产氚增殖率,并对计算结果进行分析比较。     

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。     

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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。     

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。     

正硅酸锂陶瓷小球离线释氚实验研究

中国氦冷球床包层(CH HCSB TBM)初步采用Li₄SiO₄陶瓷小球作为氚增殖材料,实验研究了Li₄SiO₄陶瓷小球的中子辐照产氚性能。将冷冻成型法制备的Li₄SiO₄ 陶瓷小球置于反应堆中辐照100min,然后在离线释氚实验平台上进行退火行为研究。实验结果表明,在用He +1% H₂为载气,流速为100mL•min^-1,升温速率为5K•min^-1的实验条件下,氚气(HT+T₂)是Li₄SiO₄陶瓷小球的主要释氚形态,占总氚的70%左右(不包括自由氚中的氚气),在400℃~700℃范围内出现两次释氚峰;氚化水(HTO+T₂O)所占比例小于20%,主要在300℃~500℃的低温段进行释放;氚在800℃前基本释放完,小球退火后的残氚量小于1%。冷冻成型干燥法制备的Li₄SiO₄陶瓷小球在300℃~700℃范围内有较好的释氚性能,氚残留量低,在聚变堆固态氚增殖包层设计中具有一定应用价值。     

中国氦冷固态实验包层2×6模型三维中子学计算

基于中国ITER氦冷固态增殖剂实验包层（CH HCSB TBM）最新2×6模块化结构设计,用三维中子输运计算程序MCNP／4C和相应数据库,对ITER实验包层模块设计的中子学问题进行计算分析,计算出在实际运行工况下,氚增殖率为0．0123g·d^-1,整个TBM内的核热沉积为0．587MW。在各材料区内,最高功率密度为6．26MW·m^-3,同时给出了不同材料区的功率密度。     

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。     

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Using Monte Carlo particle transport code MCNP, the 3D neutronics analysis as well as TBR calculation for high power compact tokamak (CT) test reactor were done. The structure design for helium cooling ceramic breeder (HCCB) blanket was carried out with Li₄SiO₄, Be and the low activated ferrite steel as the tritium breeder, neutron multiplier and structural material respectively. The variation of TBR vs the breeding unit thickness was simulated, under different breeding unit with different structure arrangement. The preliminary optimum design of blanket with tritium self-sufficiency was obtained. The related characteristics of neutron wall loading, energy deposit and power density was given, as supplies data support for the thermal hydraulics and related design and analysis in next step.     

CFETR 水冷陶瓷包层时间相关产氚特性初步分析

水冷陶瓷包层是中国聚变工程实验堆(CFETR)的三种候选包层概念之一。基于CFETR水冷陶瓷包层的一维中子学模型,通过蒙特卡罗输运模拟程序MCNP和活化计算程序FISPACT的耦合计算,经三维转换系数修正,分析了CFETR水冷陶瓷包层时间相关产氚特性。结果表明,当CFETR运行因子为0.5,聚变功率为200MW时,水冷陶瓷包层在运行5年、10年、20年后,氚增殖率(TBR)的降低都不显著,但是年产氚剩余量的降低很明显。此外,产氚包层内初始时刻TBR对产氚特性的影响也很大。     

Calculations of the 3-D neutronics for CH HCSB TBM with 3×3 sub-modules

Using three dimension MCNP code and FENDL2.0 data library, neutronics calculation for a HCSB (helium cooling solid breeder ) TBM ( test blanket module ) with 3×3 sub-modules has been performed. Local tritium breeding ratio (TBR) of 0.907, total tritium generation rate of 0.0175 g•d^-1, peak power density of 9.27MW•m^-3  and total power deposit of 0.422MW•m^-3 are obtained under neutron wall loading of 0.78MW•m^-2 and duty factor of 22%.     

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水冷陶瓷包层是中国聚变工程实验堆(CFETR)的三种候选包层概念之一。基于CFETR水冷陶瓷包层的一维中子学模型,通过蒙特卡罗输运模拟程序MCNP和活化计算程序FISPACT的耦合计算,经三维转换系数修正,分析了CFETR水冷陶瓷包层时间相关产氚特性。结果表明,当CFETR运行因子为0.5,聚变功率为200MW时,水冷陶瓷包层在运行5年、10年、20年后,氚增殖率(TBR)的降低都不显著,但是年产氚剩余量的降低很明显。此外,产氚包层内初始时刻TBR对产氚特性的影响也很大。     

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...     

CFETR水冷陶瓷增殖剂包层中子学分析

基于中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷陶瓷增殖剂(WCCB)三维中子学模型,应用蒙特卡罗输运程序MCNP5和IAEA聚变评价核数据库FENDL2.1,完成了WCCB中子学性能分析。研究了在200MW、500MW、1.0GW、1.5GW聚变功率下中子壁载荷(NWL)、氚增殖率(TBR)、核热沉积以及包层材料的辐照损伤。结果显示,目前WCCB包层核分析结果满足CFETR设计要求。     

Calculations of the 3-D neutronics for CH HCSB TBM with 3×3 sub-modules

Using three dimension MCNP code and FENDL2.0 data library, neutronics calculation for a HCSB (helium cooling solid breeder) TBM (test blanket module) with 3×3 sub-modules has been performed. Local tritium breeding ratio (TBR) of 0.907, total tritium generation rate of 0.0175g·d-1, peak power density of 9.27MW·m-3 and total power deposit of 0.422MW·m-3 are obtained under neutron wall loading of 0.78MW·m-2 and duty factor of 22%.     

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Based on the design of the 2015 version of China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) water cooled ceramic breeder (WCCB) blanket modules surrounding the plasma, a tritium transport model has been developed. Tritium transport analysis has been carried out for each blanket module with different breeding zones, purge gas loop, coolant loop and steam generator. The results indicate that the concentration, permeability and retention of tritium among blanket modules are different. For all of the WCCB blanket modules in CFETR, the tritium retention inside the breeder is 6.62×10^-2g, the tritium retention inside the structural materials is 2.01g, the tritium retention inside purge gas and coolant loop are 4.03×10^-4g and 0.19g respectively, the tritium permeation through the steam generator tube walls is 20mg•y^-1, the tritium permeation from the coolant pipes is 0.1mg•y^-1.     

一种基于温控机制的PWR水冷包层TBR优化方法

根据DEMO情形下的堆芯和包层设计参数,基于包层产氚及热工的温度控制要求,研究了一种适合PWR水冷包层设计的氚增殖率(TBR)优化方法。利用中子学及有限元方法,建立了包层2维分析模型,计算了包层能量增益因子,并基于该因子计算了包层的总能量沉积。研究了包层结构参数变化时局部TBR的分布特点。重点基于温控方法研究了包层结构参数的变化与TBR之间的内在联系,获得了包层局部TBR达到最佳值的结构参数理论参考值。