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CFETR包层相关问题研究

2014-4-23

刘常乐

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内容提要● CFETR 包层 : 增殖与屏蔽● CFETR 增殖包层设计关键技术1 ）材料问题；2 ）热工问题；● CFETR 屏蔽包层初步研究；1 ） ITER 屏蔽包层调研；2 ） CFETR DIV 屏蔽包层初步设计；● 总结

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CFETR 包层：增殖包层和屏蔽包层● CFETR 包层与 ITER 包层的区别 :1 ） CFETR — 增殖包层 + 屏蔽包层；至少 75% 面积区域需要覆盖增殖包层模块； TBR （ tritium breeding

ratio ） ≥ 1.05 （ 1.2 ）；2 ） ITER—TBM+ 屏蔽包层，只有三个窗口布置 6 个 TBM(test blanket

module) ，测试产氚，没有氚自持的要求，大部区域为屏蔽包层；● CFETR 偏滤器区域需要屏蔽包层。

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聚变堆增殖包层基本概念

(1) 日本DEMO 固态包层(2) 西南物理所(3) 等离子所

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①

②

增殖包层：产氚

③

● By K.Tobita . FED,2010

● 冯开明总体组报告 ,2012

● 刘松林 . 总体组报告 ,2012

目前 , 氚包层方案约有固态包层氦 / 水冷、液态包层自冷 / 水冷 4 种主要概念。所有合作方均对固态氦 / 水冷感兴趣 , 这种兴趣代表着固态氦 /水冷未来的发展趋势。 ● 许增裕 . 国际热核实验堆的建造与聚变堆材料研究

增殖包层设计关键技术问题● 包层设计关键问题：材料、中子学、热工、力学。目前阶段重点在材料及热工，原因涉及产氚最大化及工程可行性。

材料问题： ① 材料选择②材料设计（涉及 TB

R ）

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By K.Tobita . U of Tokyo 16MAR2009

①

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● By C. Liu, et al, to be submitted

②● 材料设计在于尺寸及组分。分层尺寸的确定主要靠多次优化设计及迭代计算，设计依据和目标是 TBR 数值的大小。

● By 田英男 等， 原子能科学， 2013

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②● CFETR 与

DEMO 的一个明显的区别：中子壁负载(MW/m2) 相差近10 倍（低）。从结构上看，径向450mm （ DEM

O ）的包层区域需要的冷管疏密程度降低，从而相对增加了增殖区域。

● By C. Liu, D. Yao, et al, IEEE TPS under review

CFETR内包层厚度限值为 0.8米，外包层厚度限值1.2m

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● 包层热工问题：①流体流动与传热②中子生热与沉积③温度控制与氚释放。流体流动与传热涉及一般流体力学问题，但区别是核材料的性能随温度变化；包层内部流场及参数变化符合经验公式；需要考虑流体参数的工程可行性。

● By C. Liu, J. Zhang, et al, FED, 2013

● By C. Liu, K. Tobita, et al, FED, 2011

①

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● By C. Liu, K. Tobita et al, FED, 2010

②② 中子生热与沉积包层内部主要的热源是中子生热：第一壁中子壁载荷在包层内部的中子剂量分布、倍增区域倍增剂的倍增中子以及伽马射线生热。但主要考虑中子热沉积。 ● By H. Utoh, K. Tobita, et al, PFR, 2012

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● By C. Liu, D. Yao, et al, SOFE2013

③

● By C. Liu, J. Zhang, et al, FOFE,2014

③ 温度控制问题包层内部温度，尤其是核材料区域温度涉及氚的有效释放，对于提高 TBR 数值十分重要。温度控制基于材料产氚最大化的温度要求及中子热沉积的分布。

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● 另外：增殖区域占有率问题。CFETR 增殖区域占有率涉及TBR 自持效率及工程上各个内部部件设计空间问题。

日本的 SlimCS 的增殖区域是 75.9%, CFETR 是多少，与其他内部部件发生冲突 ?

● By K. Tobita, et al, U of Tokyo, 16MAR2009

CFETR屏蔽包层初步研究● ITER 屏蔽包层调研。ITER blanket 直接面对等离子体，包括 shield block(SB)

+first wall(FW),

( 真空室夹层之间仍有可以屏蔽中子的 SB) 。屏蔽包层设计主要包括：材料、结构、力学及中子学要求。

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● By A. René Raffray , MFE Development Workshop,2012

First wallShielding block

● CFETR 屏蔽包层包括：增殖区域 + 偏滤器区域。我们已经根据偏滤器区域的中子屏蔽要求，完成初步的中子学建模及分析，正在考虑进一步的中子学设计。已经初步考虑拟将屏蔽包层置于第一壁之后，或支撑结果一体化设计。增殖区域包层需要模块化设计，但工程细化需要大量的人力和时间。

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特别地， CFETR 增殖屏蔽包层位于增殖包层后面， ITER

屏蔽包层直接面对等离子体，因此由此造成的结果是：CFETR 屏蔽包层不存在第一壁，与其他区域的结合面将有别于 ITER 。但增殖区域的屏蔽包层还是要进行模块设计。

5. 总结● CFETR首先是个完全意义的聚变堆（氚自持），有别于 ITER （少数 TBM 测试）。因此氚自持的可行性及实现途径需要进一步验证；● CFETR 中子壁负载低于 DEMO 聚变堆 10 倍数量级。因此增殖包层的冷却能力需求相对降低，这有利于简化包层的结构设计；● CFETR 增殖包层总的区域与相关内部间空间关系需要定义；● 聚变堆增殖包层设计的关键技术需要深入细致研究，材料、热工、力学等一系列工程问题需要解决；● 聚变堆增殖包层技术是一项暂时无法用实验验证的非工程性技术，需要广泛的科学研究。● CFETR 屏蔽包层包括增殖区域和偏滤器部分，依照 ITER 的经验，屏蔽包层的设计需要大量的人力物力，预研工作艰巨。

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