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。     

核工业西南物理研究院的聚变堆设计研究工作

本文回顾我院聚变堆设计研究工作 。在李正武先生的组织下，工作从１９７４年起步，他亲自组织了讲课活动。１９７８年后，他主持外事工作，通过“请进来、派出去”的作法，显著地推动了聚变堆研究工作的发展。本文回顾介绍了我院在纯聚变堆，Ｄ－＾３Ｈｅ堆和聚变增殖堆设计研究方面取得的进展。     

紧凑型聚变裂变混合堆参数优化及放电模拟

在聚变裂变混合堆大、小半径分别不变情况下,通过优化聚变裂变混合堆中心螺管尺寸,用聚变系统分析程序对紧凑型聚变裂变混合堆的参数进行了优化分析,给出了紧凑型聚变裂变混合堆的最佳设计点。利用TSC平衡演化程序以该设计点为基础进行了放电模拟研究,结果表明该堆具有良好的经济优势及可行性。     

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。     

核聚变反应堆的探索

一、前 言 研究受控聚变的重要意义,在于可能建成核聚变反应堆,使轻核聚变释放的能量转变为电能加以利用,这为长远解决能源问题提供了一个很有希望的前景.近年来,在受控聚变的理论和实验研究取得进展的基础上,国外对于未来的聚变堆愈来愈多地开展了工程设计工作.1969年和1971年先后召开过两次国际性的聚变堆工艺会议[1,2].1973年也又召开了一次.现在,针对已有的几种主要类型的热核反应实验装置,差不多都提出了相应的聚变堆模型设计(或概念设计),说明聚变堆的设计研究已日益受到重视. 建立受控聚变反应堆有个基本条件,就是要求热核等离子体的…     

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。     

聚变α粒子对第一壁辐照损伤的蒙特-卡罗研究(Ⅰ)——轰击第一壁的α粒子能谱

本文研究从托卡马克聚变堆等离子体边界损失的α粒子能谱。分析α粒子的损失机制。建立描述α粒子输运的慢化-扩散方程。同时考虑香蕉捕获粒子、飞行粒子和波纹约束粒子对扩散系数的贡献以及α粒子的直接损失机制。针对典型的聚变堆参数数值求解方程得到待求的α粒子能谱。讨论了解的物理意义。     

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。     

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.     

HCSB-DEMO�������������ȷ�����������

根据HCSB-DEMO堆的设计要求,对不同尺寸的聚变堆能产生的聚变功率、中子壁负载和等离子体燃烧时间等进行计算与分析,给出了符合设计要求的堆芯参数。在所选定的堆芯参数条件下进行了零维功率平衡计算分析,给出了3组HCSB-DEMO堆的等离子体初步设计参数。     

核能与聚变裂变混合能源堆

未来20年将是核能发展的一个关键时期.2035年左右,快堆有望投入商用;磁约束聚变、激光聚变、Z箍缩聚变也都有演示堆计划.聚变演示堆存在纯聚变与聚变裂变混合能源堆两种可能,而后者可降低聚变功率,缓解高能中子对材料的辐照损伤.另外,氘氚聚变供能时间有限.文章介绍了混合能源堆的概念.能源堆可充分利用铀资源,且后处理不涉及铀钚分离,有很好的防扩散性能.裂变堆、聚变堆、能源堆共同发展,可望使核能在不太长的时间内获得大规模应用,并可为人类提供千年以上的能源供应.     

关于聚变中子学积分实验研究

聚变中子学积分实验研究是当前国际上聚变堆设计的中的重要研究课题，在对国内外的实验研究工作进行仔细调研的基础上，提出了充分利用中国原子能科学研究将建成的强流短脉冲高压倍加器和配套的实验测量设备，开展高水平的聚变中了学积分实验研究的必要性和重要性，近期和交长远的实验工作设想。     

一种有希望的能源:聚变-裂变混合堆

文章阐述了聚变-裂变混合堆的物理计算。导出更普遍的纯聚变堆和聚变-裂变混合堆的电力得失相当条件和净电输出公式。确定的混合堆主要参数与纯聚变堆INTOR和快中子增殖堆Sup-er Phenix进行比较,证明了混合堆作为一种有希望的能源填补下世纪将要出现的能源空缺具有不少优越性。     

非自持和非麦氏分布情况下托卡马克堆芯等离子体功率平衡

本文给出一组托卡马克堆芯等离子体功率平衡方程,它描述了在非自持和非麦氏分布情况下等离子体功率平衡的问题,计算结果表明。在现实可行的聚变堆工程和相应的等离子体参数情况下,堆芯中每秒可产生聚变中子PN大于10~19。     

CFETR 堆体活化计算与分析

运用FLUKA计算程序对中国聚变工程实验堆(CFETR)进行了一维模拟活化运算,得出了产氚包层、屏蔽层、真空室结构材料、环向场线圈等模块的中子活化特性。计算结果表明,在聚变堆以200MW聚变功率持续稳态运行一年后,刚停堆时堆体的总活度为1.05×10 ¹⁹ Bq,停堆十年后堆体总活度为1.03×10 ¹⁷ Bq,此时堆体的主要残留放射性核素为⁵⁵ Fe。研究结果表明,目前CFETR的设计不存在突出的放射性环境安全问题。     

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。     

改变燃料注入实现平滑停堆的数值分析

本文从零维燃烧动力学方程出发,粒子损失由捕获离子模和赝经典扩散决定,研究了一个稳定燃烧托卡马克聚变堆的停堆过程,计算了不同燃料注入方案下等离子体参量和各种功率损失的时间行为。通过比较,得到了一些对延长第一壁寿命较为有利的停堆方案。     

STR型脉冲聚变堆系统参数和经济性研究

应用系统经济程序ＳＹＳＴＯＫ对大环径比脉冲聚变堆ＳＴＲ概念设计进行了系统参数模拟,并对它的投资费用和电成本进行了估算。为便于ＳＴＲ设计参数和经济性的分析与评估,参考了美国的ＡＲＩＥＳ－Ⅱ和ＰＵＬＳＡＲ－Ⅱ聚变堆设计并与之进行了比较。采用电成本ＣＯＥ为目标函数,对ＳＴＲ系统参数优化进行了研究。对ＳＴＲ电厂的ＣＯＥ与石油电厂,液化天然气电厂、煤电厂及裂变堆电厂的ＣＯＥ进行了分析比较。ＳＴＲ型聚变堆的长     

聚变堆燃烧等离子体温度剖面数值分析

采用聚变等离子体中α粒子慢化、扩散的多能群计算方法,结合本底等离子体的能量平衡方程,对α粒子自加热及扩散情形下对聚变堆而言甚为重要的等离子体温度剖面进行了自洽性的数值分析。对动态及稳态等离子体运行方式的模拟结果表明燃烧等离子体温度剖面比起目前实验得出的剖面更峰状化。这一特性不依α粒子在其慢化过程有无显著的扩散损失而改变,在今后对聚变堆α粒子行为及效应的严格分析中应加以考虑。     

球环型产氚聚变堆中子学分析

对球环型产氚聚变堆概念设计中的中子学设计进行了计算分析。此设计利用了球形环的先进等离子体物理性能和紧凑的结构特征,并尽量利用真空室内的空间安置氚生产包层以减少氚泄漏而提高氚增殖率,达到年产氚量1kg的目标。2D中子学计算得到的氚增殖率高于1．68的设计是其它类似设计没有达到的,进一步体现出球环型产氚聚变堆的先进性。