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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。     

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。     

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。     

HCSB DEMO 中子通量谱分析及活化片法测量系统概念设计研究

利用蒙特卡罗粒子输运程序(MCNP)对氦冷固态增殖剂包层聚变示范堆(HCSB DEMO)做了中子通量谱分析。根据中子通量谱特点选出活化片材料,根据跑兔系统和活化片法测中子通量的原理设计出适用于测量HCSB DEMO 增殖包层中子的活化片法测量系统,并对其各组成部分及功能做了说明。计算了活化片在测量系统辐照端辐照时的活化反应率、活化片特征γ 射线发射率及特征γ 计数率,并得到一套合理的测量方案,用于HCSB DEMO 包层中子的测量。     

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利用蒙特卡罗粒子输运程序(MCNP)对氦冷固态增殖剂包层聚变示范堆(HCSB DEMO)做了中子通量谱分析。根据中子通量谱特点选出活化片材料,根据跑兔系统和活化片法测中子通量的原理设计出适用于测量HCSB DEMO增殖包层中子的活化片法测量系统,并对其各组成部分及功能做了说明。计算了活化片在测量系统辐照端辐照时的活化反应率、活化片特征γ射线发射率及特征γ计数率,并得到一套合理的测量方案,用于HCSB DEMO包层中子的测量。     

CFETR水冷包层第一壁模块中等离子体注入氚输运有限单元分析

采用多物理场计算程序COMSOL Multiphysics,构建了一维氚输运有限单元模型,并与文献中氢同位素在钨中的滞留实验数据进行模拟验证。基于经过校验的一维模型,并考虑Soret效应,对中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷包层第一壁进行了二维氚分析计算。模拟结果表明,氚在单个典型包层第一壁中的总滞留量为0.12mg,进入冷却剂中的总渗透量为0.12mg•yr^-1。若不考虑Soret效应,氚在RAFM钢中的滞留量将增加8.80%,渗透到冷却剂的量增加65.97%。由此可见,Soret效应对于氚的渗透和滞留具有显著的意义。     

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。     

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。     

CFETR氚增殖包层活化计算分析

运用蒙特卡洛程序MCNPX以及欧洲活化计算程序FISPACT-2007,分析了中国聚变工程实验堆(CFETR)满功率运行时产氚包层各分区的核热功率,计算了满功率运行时产氚包层在高能中子的照射下活化产物的放射性活度、典型栅元的停堆剂量率。计算结果表明,当CFETR在满功率运行一年后停堆,停堆时的包层总活度为6.61-10¹⁹Bq,停堆十年后总活度降为7.98-10¹⁸Bq,为刚停堆时总活度的12.1%。结果显示,CFETR包层设计不存在突出的安全问题。     

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运用蒙特卡洛程序MCNPX以及欧洲活化计算程序FISPACT-2007,分析了中国聚变工程实验堆(CFETR)满功率运行时产氚包层各分区的核热功率,计算了满功率运行时产氚包层在高能中子的照射下活化产物的放射性活度、典型栅元的停堆剂量率.计算结果表明,当CFETR在满功率运行一年后停堆,停堆时的包层总活度为6.61×1019Bq,停堆十年后总活度降为7.98×1018Bq,为刚停堆时总活度的12.1%.结果显示,CFETR包层设计不存在突出的安全问题.     

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The activation properties of SIMP steel have been simulated under the conditions of the water cooled ceramic breeder (WCCB) blanket for China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) by coupling of the MCNP (Monte Carlo N-Particle Transport Code) and FISPACT activation code. The simulation results of specific activity, decay heat, contact dose rate and radiation damage of SIMP steel have been fully compared with other RAFM steel such as EUROFER-97, F82H and so on. The comparisons show that the SIMP has good activation performance corresponding to low activation performance of RAFM. It is conclusion that the SIMP can be chosen as one candidate structural material used for future fusion reactor blanket.     

聚变堆液态包层增殖区铅锂与氦气多流场耦合换热特性研究

采用三维计算流体动力学(CFD)方法对聚变堆液态包层增殖区高温液态铅锂与结构内高压氦气耦合换热进行数值模拟。建立了充放式高压氦气回路和换热实验段,开展了包层典型工况下液态铅锂与氦气多流场耦合换热对比实验验证。研究了氦气压力和增殖区铅锂入口温度、核热功率密度变化时的流动与传热特性及其影响规律,获得了氦气与RAFM钢壁面、液态铅锂与RAFM钢壁面之间的换热系数和换热关联式,为液态包层的设计研发提供了参考依据。     

基于垂直磁场压缩的EAST等离子体初步研究

基于等离子体参数随大半径/小半径变化的规律,分析了电流平顶段垂直磁场与相关等离子体参数的关系。垂直磁场的非线性部分用于分析非感应电流驱动效应,包括自举电流效应。此外,对于给定的等离子体电流,推导了平顶段垂直磁场与线平均密度之间的关系,并进一步研究压缩后的等离子体。基于EAST第41195次放电的数据分析表明,垂直磁场强度的增大可以使得等离子体温度、密度、β_p和自举电流份额获得提升,为等离子体参数高参数,特别是β_p提供了一种可能性参考。     

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Thermal diffusivity of reduced activation ferritic/martensitic (RAFM) steel CLF-1 has been determined by the modified photoacoustic piezoelectric (PAPE) technique. Firstly, the modified PAPE theoretical model is introduced and the experimental condition with high measurement precision are identified; Secondly, the experimental system is set up and calibrated by investigating the thermal diffusivity of nickel; Finally, the thermal diffusivity of RAFM steel CLF-1 is measured by the modified PAPE method. The results show that the RAFM steel CLF-1 has good thermal diffusion properties and is a fusion reactor structural material with excellent heat conductivity. The modified PAPE technique can determine the thermal diffusivity of RAFM steel CLF-1effectively, and provides an effective way to investigate the thermal-physical property of fusion reactor structural material.     

RAFM钢TIG焊和电子束焊疲劳性能实验和分析模拟

利用ANSYS 对低活化铁素体马氏体(RAFM)钢进行非熔化极气体保护焊(TIG 焊)与电子束焊的抗疲劳模拟分析，再利用SDS200 电液伺服疲劳试验机对TIG 焊和电子束焊的两种RAFM 钢试件进行实验。通过施加相同梯度负荷对TIG 焊和电子束焊试件进行焊缝的疲劳性能实验。与实验结果对比分析，结果显示电子束焊优于 TIG 焊，但在一定负载下可以用TIG 焊代替电子束焊。     

两种国产低活化的铁素体/马氏体钢的He离子辐照硬化研究

低活化的铁素体/马氏体钢（RAFM）以其高导热率、低热膨胀率、高抗辐照肿胀能力成为未来核聚变堆重要的候选结构材料,在聚变堆高能中子辐照环境由于（n,α）核反应产生的高浓度He在材料中的积累对于材料微观结构和宏观性能的影响是关系这类材料服役寿命的重要问题。本工作研究了面向聚变反应堆应用的两种国产低活化钢（CLF、CNS）的辐照硬化效应,利用中国科学院近代物理研究所320 kV高压实验平台提供的4He离子束进行辐照实验,辐照剂量6×10-3,6×10-2,6×10-1 dpa （辐照损伤/原子平均离位）,对应注He浓度分别为100,1 000,10 000 appm （氦离子浓度/百万分之一）。采用多能注入方法,在样品表面至1微米深度形成He浓度和离位损伤的坪区分布。利用纳米压痕仪对参比样品和注入He的样品进行了连续刚度测试。基于NIX-GAO模型对纳米硬度数据进行分析,获得了注入He的区域样品纳米硬度的数据。研究表明,注入He区域的纳米硬度与辐照损伤水平之间存在着1/2次幂函数的关系。未辐照CLF钢比CNS钢的纳米硬度略低,随着辐照剂量的增加,CLF钢呈现的辐照硬化现象更明显。Reduced activation ferritic/martensitic steels (RAFM) are important candidate materials for future fusion nuclear reactors because of their high thermal conductivity, low thermal expansion rate and high resistance to irradiation swelling performance. The influence of high concentration helium produced by nuclear reaction (n,α) on the micro-structure and macro-properties is an important issue limiting the service lifetime of the materials. In the present work, helium implantation to three different doses (100, 1 000, 10 000 appm helium, corresponding to 6×10-3, 6×10-2, 6×10-1 dpa) was carried out to investigate irradiation hardening of two RAFM Steels. Multi-energy He ion-beams at 320 kV high-voltage platform were used to get a damage plateau from surface to 1 μm depth in specimens. The continuous-stiffness test by a Nano-indentor G2000 was carried out Data of nano-hardness were analyzed based on Nix-Gao model. It is shown that there is a 1/2-power law relationship between the hardening and the irradiation damage level. Before helium implantation, the hardness of the CLF steel is slightly lower than that of the CNS steel. However, with the increase of helium-implantation dose, the hardening is more obvious in CLF steel. Further investigation of microstructures is needed to get a deeper understanding of the hardening mechanism.     

Microstructure change in deuterium implanted CLAM steel induced by electron irradiation

As Reduced Activation Ferritic/Martensitic (RAFM) steel is considered the primary candidate for use as a structural material in fusion power reactors,many countries are developing different kinds of RAFM.China is developing new CLAM (China Low Activation Martensitic) steel.The study investigates microstructural changes in CLAM steel implanted with deuterium ions induced by 1250 keV electron irradiation from R.T.to 873 K,and observes both the growth and shrinkage of the defect clusters produced by deuterium ...     

高能重离子辐照的低活化钢硬化效应

为了探讨聚变堆候选低活化钢的抗辐照性能,在兰州重离子加速器国家实验室HIRFL的材料辐照终端,利用63 MeV的~(14)N离子和336 MeV的~(56)Fe离子在-50?C下对一种国产低活化钢进行辐照实验.借助离子梯度减能装置,使入射离子能量在0.22—6.17 MeV/u之间变化,从而在样品表面至24μm深度范围内产生0.05—0.20 dpa的原子离位损伤坪区.利用纳米压痕仪测试样品辐照前后的显微硬度,通过连续刚度测量(constant stiffness measurement)得到低活化钢硬度的深度剖面信息.使用Nix-Gao模型很好地描述了纳米压痕硬度随深度递减的现象(压痕尺寸效应,indentation size effect),从而有效避免了低能离子辐照的软基体效应(softer substrate effect).正电子湮灭寿命谱显示低活化钢在辐照之后长寿命成分增加,说明样品中产生了大量缺陷形成空位团,从而导致了材料力学性能的变化,在离子辐照剂量增加至0.2 dpa时,平均寿命τ_m增加量逐渐变慢,材料中辐照产生的缺陷趋于饱和.     

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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。