CFETR氦冷固態(tài)氚增殖劑包層中子學(xué)設(shè)計(jì)及性能研究.pdf

1、中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆CFETR是一個(gè)為了填補(bǔ)ITER與未來(lái)聚變示范堆之間的技術(shù)差距的一個(gè)托卡馬克實(shí)驗(yàn)堆。CFETR設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)是演示聚變堆的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及實(shí)現(xiàn)氚的自持，其中氚的增殖比(TBR)是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。包層作為聚變堆的一個(gè)重要部件，由于承受極強(qiáng)中子輻照，并利用聚變中子進(jìn)行產(chǎn)氚，因而聚變堆中的大量問(wèn)題都與包層中子學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)，如氚的增殖、能量產(chǎn)生、屏蔽、相關(guān)材料的輻照損傷以及放射性安全等等。
　　本論文主要為支持CFETR的

2、設(shè)計(jì)，在基于一種徑向多層布置U型氚增殖區(qū)的氦冷包層方案基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展中子物理方案設(shè)計(jì)以充分利用了平行與垂直第一壁的區(qū)域進(jìn)行產(chǎn)氚。在中子學(xué)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)基于CAD模型與蒙卡中子學(xué)建模轉(zhuǎn)換接口程序McCad以及手工建模相結(jié)合的辦法逐步細(xì)化模型完成三維全堆中子學(xué)模型的建立。然后在此基礎(chǔ)上對(duì)赤道面外側(cè)典型包層模塊內(nèi)部的氚增殖比分布以及核熱密度等特性進(jìn)行了研究。通過(guò)基于典型包層模塊局部氚增殖比LocalTBR的變化對(duì)全堆精細(xì)結(jié)構(gòu)下的氚增殖比評(píng)估

3、表明在考慮包層模塊間隙的情況下，包層初步方案全堆TBR為1.09，可滿(mǎn)足氚自持的目標(biāo)(TBR＞1.05)。
　　在包層初步方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)氚增殖能力影響因素進(jìn)行了研究，主要包括球床結(jié)構(gòu)及布局的影響，包層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響，窗口設(shè)計(jì)影響以及Li燃耗的變化影響等方面。
　　通過(guò)基于赤道面外側(cè)典型包層增殖區(qū)球床結(jié)構(gòu)及布局的影響調(diào)整獲得了氚增殖性能更優(yōu)、核熱分布更趨均衡的優(yōu)化方案。然后通過(guò)對(duì)包層結(jié)構(gòu)變化對(duì)局部氚增殖性能的影響評(píng)估，獲

4、得了包層氚增殖性能隨不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變化趨勢(shì)及規(guī)律，主要包括第一壁厚度、冷卻板厚度、加強(qiáng)板、包層蓋板與側(cè)板等。在結(jié)合TBR隨包層相關(guān)結(jié)構(gòu)變化的趨勢(shì)以及相關(guān)包層熱工與結(jié)構(gòu)安全分析的結(jié)果本文對(duì)包層方案進(jìn)行了優(yōu)化，即采用冷卻板厚度為6mm，氚增殖區(qū)為4層氚增殖區(qū)的方案。然后通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案全堆精細(xì)結(jié)構(gòu)下的氚增殖比分析與局部氚增殖評(píng)估結(jié)果對(duì)比，得出局部氚增殖評(píng)估方法合理性，即全堆氚增殖比的變化可在一定程度上通過(guò)赤道面外側(cè)典型包層相關(guān)局部氚增殖比變化

5、分析其對(duì)全堆TBR的影響趨勢(shì)。窗口設(shè)計(jì)對(duì)氚增殖性能的影響中，從氚自持的角度，對(duì)CFETR不同窗口開(kāi)窗面積及數(shù)量進(jìn)行了評(píng)估優(yōu)化。為滿(mǎn)足CFETR的氚自持，優(yōu)化方案的中窗口及上窗口總的最大總開(kāi)窗面積分別不能超過(guò):11m2和16.5m2。Li燃耗變化對(duì)TBR的影響研究則表明對(duì)包層優(yōu)化后方案可滿(mǎn)足CFETR第一階段8年運(yùn)行壽期內(nèi)氚的自持要求。
　　最后本文對(duì)優(yōu)化后的包層方案開(kāi)展了相關(guān)的中子學(xué)安全性能研究，主要包括材料輻照損傷，活化特性、典

6、型包層停堆后位于包層運(yùn)輸小車(chē)CASK中輻射劑量場(chǎng)以及廢料管理的評(píng)估等方面。從材料輻照損傷的角度，包層優(yōu)化方案可滿(mǎn)足CFETR第一階段運(yùn)行8年的材料限值要求?；罨匦缘难芯縿t顯示包層停堆后至243年間，氚的源項(xiàng)將占據(jù)包層活度的主導(dǎo)，包層的余熱則在停堆初期主要由結(jié)構(gòu)材料主導(dǎo)。包層停堆后位于包層運(yùn)輸小車(chē)CASK中的輻射劑量場(chǎng)表明，在停堆之后，包層第一壁上的輻射劑量場(chǎng)最為嚴(yán)重，在剛停堆的瞬間甚至達(dá)到了104Sv/h量級(jí)。停堆1年后，包層的最高停

7、堆劑量率降為了102Sv/h量級(jí)，當(dāng)停堆10年時(shí)，降為了1Sv/h量級(jí)。若按照傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作維修的限值（＜0.01Sv/h），則至少要停堆35年左右才可允許放置到運(yùn)輸小車(chē)中進(jìn)行處理。為減少包層更換及維修的時(shí)間，需發(fā)展可承受較高輻射劑量(＞0.01Sv/h)的先進(jìn)遙操設(shè)備。對(duì)典型包層停堆后的廢料管理評(píng)估結(jié)果表明停堆冷卻50年左右，大部分結(jié)構(gòu)材料均可通過(guò)簡(jiǎn)單遠(yuǎn)程操作進(jìn)行回收，而Li4SiO4材料由于停堆余熱在50年時(shí)超過(guò)簡(jiǎn)單操作限值因而在停