聚變示范堆熱電轉換效率分析及CO2冷卻固態(tài)包層熱性能評估.pdf

1、聚變示范堆EU DEMO是歐洲各國在ITER基礎上提出的一種用于理論驗證和工程探索的核聚變裝置，用來評估聚變堆的經(jīng)濟可行性和技術可行性，也是核聚變正式商業(yè)運行前的最后一步。在聚變示范堆中，包層是維持聚變堆氚自持的重要部件，同時還承擔著聚變示范堆能量提取和轉換、屏蔽輻射等重要功能。因此，包層合理的設計方案和材料選擇對于聚變示范堆的安全性和經(jīng)濟性非常重要。
　　目前EU DEMO有4種潛在的包層方案，即氦冷球床包層(HCPB)、氦冷鋰

2、鉛包層(HCLL)、水冷鋰鉛包層(WCLL)和雙冷鋰鉛包層(DCLL)。除WCLL冷卻劑是水外，其他3種包層的冷卻劑都包含氦氣。氦氣密度較小，需要消耗的風機功率較高，因此會降低DEMO的熱電轉換效率。自從上世紀50年代二氧化碳已經(jīng)作為鎂諾克斯反應堆和先進氣冷堆的冷卻劑，成功應用于核裂變反應堆超過60年時間。二氧化碳的密度是氦氣的11倍，需要的風機功率會明顯少于氦氣，從而提高DEMO熱電轉換效率和凈發(fā)電功率。同時高密度的二氧化碳還可以減少

3、存儲罐的體積，且二氧化碳價格低廉極易獲取，從而減少成本。
　　因此本文首先考察了包層以氦氣和二氧化碳分別作為冷卻劑時對聚變示范堆發(fā)電效率的對比分析。首先，給出了聚變示范堆綜合整體系統(tǒng)BoP的設計方案，包括主熱傳輸系統(tǒng)PHTS、儲熱換熱系統(tǒng)IHTS和能量轉換系統(tǒng)PCS三大子系統(tǒng)。然后，分別以氦氣和二氧化碳作為PHTS主熱傳輸系統(tǒng)冷卻劑對聚變示范堆的發(fā)電效率進行比較分析。在相同的條件下，由于二氧化碳消耗掉的風機功率較低，從而使凈發(fā)電功

4、率大于氦氣。最后，對主熱傳輸系統(tǒng)PHTS不同冷卻劑出口溫度以及能量轉換系統(tǒng)PCS不同水蒸氣壓力對系統(tǒng)效率的影響進行了影響分析研究。提高CCPB包層的出口溫度可以提高DEMO的發(fā)電效率，但是同時提高入口溫度和出口溫度不能提高發(fā)電效率;當CCPB包層的出口溫度為600℃時，適當提高PCS中汽輪機入口處的蒸汽壓力，有助于提高DEMO發(fā)電效率;當CCPB包層中壓降提高1.5倍時，二氧化碳的效率仍然會高于氦氣。
　　在堆發(fā)電效率分析的基礎上

5、，進一步提出了新的EU DEMO包層概念---二氧化碳冷卻球床包層(CCPB)。CCPB包層設計采用的參數(shù)與HCPB參數(shù)基本一致，冷卻劑入口溫度和出口溫度分別是300℃和500℃，壓力為8MPa。包層中結構材料為RAFM鋼(EUROFER97)，氚增殖材料為Li4SiO4，中子倍增材料為Be12Ti。面向等離子體的第一壁保護材料為鎢。
　　第一壁(FW)是增殖包層中直接面對等離子體的部件，需要承受來自等離子體的熱流、高能粒子流等載

6、荷。本文首先對CCPB固態(tài)包層第一壁熱工水力性能進行分析與評估。由于EU DEMO中，第6號內包層第一壁承受最大的粒子熱流密度，第15號外包層第一壁承受最大的輻射熱流密度，因此本文對第6號內包層、第15號外包層以及典型包層（赤道面第12號）的第一壁分別進行了獨立的熱工水力分析，考慮實際包層第一壁冷卻劑流道的粗糙度，給出了不同位置、不同壁面粗糙度熱工水力分析結果。并對第6號和第15號包層第一壁開展了熱流密度敏感性分析，當?shù)?號包層第一壁承

7、受的總熱流密度增大到1.6MW/m2時，其第一壁壓降為3bar，低于壓降限值3.7bar。對于第15號包層，即使總熱流密度增大到1.2MW/m2，第一壁需要的質量流量為0.48kg/s，產生的壓降為3.4bar，仍低于壓降限值3.7bar。
　　在分析第一壁的基礎上，本文對CCPB赤道面典型包層增殖區(qū)進行了熱工水力分析，并對增殖區(qū)進行了優(yōu)化，優(yōu)化主要考慮了增殖區(qū)中Pin的數(shù)量和尺寸，以及添加石墨圓柱棒，從而降低增殖區(qū)的溫度，增殖區(qū)

8、包層最終采用12個Pin設計，Pin的尺寸增大到86mm，最終使增殖區(qū)內的增殖材料和結構材料溫度基本上低于其限值。第一壁最高溫度512.5℃出現(xiàn)在第一壁彎段處，而Pin-cladding直接受到增殖區(qū)中冷卻劑影響，最高溫度為513.1℃，二者均低于材料溫度限值550℃。由于添加了直徑為70mm的石墨棒，Be12Ti球床最高溫度降低到895.9℃，低于材料溫度限值920℃。而Li4SiO4球床最高溫度為917.6℃，低于限值900℃，同時