堆内辐照氚增殖剂球床有效热导率分析

氘-氚聚变反应堆中,固态氚增殖剂包层能不断为聚变反应提供氚核素,是实现聚变反应堆商用的关键技术之一。由锂陶瓷小球堆积形成的球床形式的固态氚增殖剂包层具有比表面积大、产氚效率高等优点,是我国重点发展的氚增殖剂包层形式。氚增殖剂球床须能支撑在堆内辐照时的高温环境,这就要求氚增殖剂球床有较好的导热特性。球床的有效热导率在球床设计和辐照过程中的安全分析十分重要,因此在中国先进研究堆（CARR）开展了氚增殖剂球床在堆内辐照环境下的有效热导率测量实验。根据MCNP计算得出的球床发热功率,结合实验测量的球床温度分布反推得到氚增殖剂球床的有效热导率,并与广泛应用于球床有效热导率计算的改进型ZBS模型计算结果以及堆外实验结果进行对比分析,理论值与实验值能较好吻合。     

氚增殖剂球床组件堆内辐照物理热工计算分析

为验证在中国先进研究堆(CARR)内进行国际热核聚变实验堆(ITER)氚增殖包层模块(TBM)辐照实验的可行性和安全性,进行了氚增殖剂球床组件堆内辐照物理及热工计算分析。氚增殖剂包层模块主要是固态氚增殖剂陶瓷球床。本文采用Monte Carlo粒子输运模拟程序对氚增殖剂球床进行堆内建模,计算球床的中子注量率、能量沉积和产额,得到不同功率下球床的中子注量率、发热功率和产氚速率以及球床组件引入反应堆的反应性。根据物理计算得到的组件各部件发热情况建立热工计算一维模型,通过更改反应堆功率得到满足实验要求的工况并采用三维程序进行验证。物理与热工计算分析的结果表明,在反应堆运行功率为20 MW的工况下球床组件各部件的温度均不超过限值。     

堆内辐照在线产氚氦冷陶瓷氚增殖剂包层球床组件热工流体力学计算分析

在研究堆内进行辐照在线产氚试验是ITER计划专项国内配套研究项目之一。本工作主要针对研究堆内辐照氦冷陶瓷氚增殖剂包层（简称陶瓷）球床组件的试验技术要求，评估辐照陶瓷球床组件设计方案的可行性。通过对不同的陶瓷球床组件结构参数和组件在堆内的不同辐照位置，进行热工流体力学设计计算，得到满足要求的入堆辐照陶瓷球床组件设计方案。     

随机填充球床通道内氦气流动特性实验研究

在聚变堆氦冷固态包层氚增殖区,球床通道内氦气流动压降特性对泵功率的设计具有重要意义。以氦冷固态包层氚增殖区为背景,研究了氦气流速、球床颗粒直径及球床通道长度对球床通道内氦气流动压降特性的影响。实验段采用20 mm×20 mm×500 mm的矩形通道,实验中氦气流速为0.1～0.6 m/s,球床颗粒直径为0.5、0.8、1.0、1.5、2.0 mm。实验结果表明,压降与氦气流速以及球床通道长度呈正相关,与球床颗粒直径呈负相关。对比Ergun关系式发现,在球床颗粒直径较小时,Ergun关系式预测值低于实验值,这主要是由于氦气可压缩性的影响。通过动量方程,理论推导出经可压缩性修正的Ergun关系式,结果发现修正后的Ergun关系式预测值与实验值符合良好。本研究为氦冷固态包层氚增殖区设计提供了数据支撑,为球床通道内流动特性的数值模拟提供了验证手段。     

基于蒙特卡罗方法的固态氚增殖剂聚变中子辐照损伤行为分析

实验包层模块(TBM)是聚变反应堆最重要的组件之一,作用是产氚和能量提取。锂陶瓷具有良好的化学稳定性、热机械性能、产氚性能以及可在更高温度下使用等特点,被认为是聚变堆包层最具吸引力的氚增殖剂材料。中国ITER-TBM设计方案采用了氦冷固态氚增殖剂(HCCB)TBM结构,其聚变环境下的辐照损伤行为可为中国HCCB TBM结构设计提供支持。针对固态氚增殖剂聚变中子辐照损伤问题,利用蒙特卡罗模拟,对比分析了Li_4SiO_4和Li_2TiO_3的中子辐照离位损伤和嬗变气体损伤。结果表明:在相同的服役时间下,Li_4SiO_4比Li_2TiO_3将产生更多的嬗变气体,且在高6 Li丰度情况下,其中子辐照损伤也更严重,会产生更高的损伤剂量和更大的损伤截面。但是,嬗变气体所造成的空位损伤Li_2TiO_3要比Li_4SiO_4严重;对两种陶瓷材料来讲,氦损伤效应均强于氚损伤效应。     

氖中微量组分气相色谱测量分析方法与验证

为测量聚变堆固态氚增殖剂堆内辐照氚增殖剂的产氚速率，除用常规电离室之外，本研究建立了Ne载气的高精度气相色谱在线检测分析方法，通过测量产氚回路中的氦产生量，验证系统中产生的氚量，从而为聚变堆固态包层产氚包层增殖剂材料辐照产氚性能提供一种新的产氚速率测量验证方法。本工作通过研制含有三个检测器、五个色谱柱的气相色谱分析系统，建立了Ne中微量⁴He、H₂及杂质组分的色谱检测分析方法，并完成了实时在线检测的验证实验。结果表明，研发的色谱分析系统可实现高纯Ne中4He、H₂及杂质组分的检测分析，H₂、⁴He检测限可分别达到1.0×10^-6、5.9×10^-6，各组分含量及峰面积的相对标准偏差(sr)均小于5.0%(n=6)，线性相关系数(r²)均大于0.99，说明检测方法重复性好。根据Ne中多组分气体的在线检测验证实验可知，单时段和多时段内的测量重复性均较好，可为辐照产氚考核系统中的产氚速率验证提供分析手段，进而为正式入堆得到辐照数据和氚衡算提供技术支持。     

中国氦冷固态增殖剂实验包层系统氚输运初步分析

氚输运分析是开展中国氦冷固态增殖剂实验包层系统安全分析及未来聚变堆氚自持运行的重要研究内容之一。基于氚输运理论和固态增殖剂包层系统设计,利用FDS凤麟核能团队开发的聚变系统氚分析程序TAS,构建了固态增殖剂包层系统氚输运分析系统动力学模型。该模型氚输运结果与文献报道的吻合得很好,误差小于6%,验证了模型的正确性。针对中国氦冷固态增殖剂实验包层系统氚输运问题进行了两种计算方法(稳态、脉冲模式)的初步分析,获得了氚提取系统、氦气冷却系统回路氚分压,实验包层模块冷却流道、窗口室内氚提取系统和氦气冷却系统回路材料中氚滞留量,窗口室内氚提取系统和氦气冷却系统回路氚日渗透量等数据。最终对比结果显示,脉冲模式分析方法能够实时地跟踪源项的快速变化,更符合中国氦冷固态增殖剂实验包层系统实际运行情况。窗口室内氦气冷却系统回路材料中氚滞留量占到日产氚量的31.3%,因此需要在这些氚滞留损失严重的部位考虑适当的阻氚措施。     

氚增殖剂球床稳态传热数值模拟

聚变堆实验包层结构中包含由锂陶瓷小球随机堆积形成的球床。为研究其传热性能,特别是球床有效热导率随温度的变化规律,采用离散单元法模拟了小球在方形容器中的堆积,并使用该模型进行了稳态传热的数值计算。该几何模型中距壁面不同距离处球床局部堆积系数符合经典关系式,验证了其合理性。由数值计算得到的球床有效热导率随球床平均温度的变化规律也能与相关实验测量值较好地吻合。     

陶瓷球床组件堆内辐照在线产氚物理计算分析

对陶瓷球床组件的堆内辐照情况进行物理计算分析有助于改进辐照装置的设计,完善辐照方案。按照堆内辐照陶瓷球床组件的实验技术要求,采用MCNP程序对陶瓷球床组件在不同孔道内的辐照情况进行了产氚量、产氚速率、发热量等计算。计算结果表明：采用天然丰度⁶Li的陶瓷球床组件在考验孔道内以半功率辐照能满足实验技术要求;如要采用满功率辐照,则需将组件中心位置提升至活性区中平面以上23 cm处。     

硅酸锂球床传热传质特性与吹扫气体流动的DEM-CFD耦合模拟

氦冷固态增殖包层是中国聚变工程实验堆（CFETR）的3种候选包层概念之一,氚增殖球床是包层的核心部件,采用硅酸锂颗粒作为氚增殖材料。球床结构对氚在球床内的输运行为及流动和传热均有重要影响。本文基于离散单元法（DEM）生成了满足氚增殖球床填充率要求的随机堆积结构,通过CFD计算获取了球床结构下氚在吹扫气体内的等效扩散系数及吹扫气体的流动特性,包括速度分布、压力分布及进出口压降;开展了外加热流及有内热源两种工况下球床等效导热系数的模拟。计算结果表明,球床结构下氚在吹扫气体内的等效扩散系数为二元气体扩散系数的40%;受球床结构影响,球床内存在流动迟滞区,壁面出现流动加速;拟合得到Ergun方程的黏性阻力系数C1=87;有内热源工况下的球床等效导热系数低于外加热流工况下的球床等效导热系数。     

超临界水冷固态实验包层中子学与热工水力特性研究

基于国际热核聚变实验堆(ITER)实验包层方案,提出了一个超临界水冷固态实验包层概念设计方案。设计采用Be作为中子倍增剂,Li4SiO4作为氚增殖剂,CLAM钢作为结构材料。包层第一壁采用多层盘道设计以提高第一壁出口温度,内部采用增殖剂与中子倍增剂分层布置以提高热沉积与氚增殖率。为验证包层设计的可行性,分析计算了三维包层氚增殖率与热沉积的分布,然后根据中子学计算得到的结果对超临界水冷固态实验包层进行了数值模拟研究。结果表明:包层功率密度分布较合理;氚增殖率满足运行中氚自持的要求;在冷却剂出口温度达到500℃条件下材料温度不超过限值。该设计方案能满足中子学设计与热工水力的要求。     

中国氦冷固态增殖剂实验包层模块材料研究进展

在未来核聚变反应堆中,为补充氚的消耗,需要在核聚变堆的包层中进行氚的在线增殖,以维持核聚变反应的持续进行。为验证这一关键技术,在国际热核聚变实验堆(ITER)上开展了ITER TBM计划(实验包层项目)。作为ITER计划成员方之一,中方以中国氦冷固态增殖剂实验包层模块(HCCB TBM)概念参与ITER TBM计划。HCCB TBM现今进入初步设计阶段,而材料的制备技术和性能数据是支撑其结构设计、安全分析和服役工况评估的基础。本文综述和分析了HCCB TBM结构材料低活化铁素体/马氏体钢(RAFM钢)与功能材料氚增殖剂和中子倍增剂的研究现状,并对这些材料下一步的研究方向进行了展望。     

中国氦冷固态增殖剂实验包层模块材料研究进展

在未来核聚变反应堆中,为补充氚的消耗,需要在核聚变堆的包层中进行氚的在线增殖,以维持核聚变反应的持续进行。为验证这一关键技术,在国际热核聚变实验堆（ITER）上开展了ITER TBM计划（实验包层项目）。作为ITER计划成员方之一,中方以中国氦冷固态增殖剂实验包层模块（HCCB TBM）概念参与ITER TBM计划。HCCB TBM现今进入初步设计阶段,而材料的制备技术和性能数据是支撑其结构设计、安全分析和服役工况评估的基础。本文综述和分析了HCCB TBM结构材料低活化铁素体/马氏体钢（RAFM钢）与功能材料氚增殖剂和中子倍增剂的研究现状,并对这些材料下一步的研究方向进行了展望。     

聚变堆增殖包层概念特征比较研究

在广泛调研国际上现有的聚变堆包层概念的基础上,对聚变堆包层的发展现状和需要解决的关键问题进行了总结。从工程可行性、氚增殖提取与控制特征、经济性以及安全和环境影响方面对固态和液态氚增殖剂包层进行了比较分析,系统阐述了各种包层概念的优缺点,从现实可行性与发展潜力方面为未来聚变堆包层概念发展提出建议。     

聚变堆交叉冷却固态包层中子学设计优化

针对聚变堆固态包层设计路线,提出了一个交叉排列氦冷固态包层概念。设计采用Be、Li₂TiO₃分层球床。两种尺寸的氦气冷却管道交叉排列,分两个回路同时冷却,以增加系统安全可靠性。分析比较了4种⁶Li富集度布置方案。结果表明：径向远离第一壁降低⁶Li富集度较为合理,靠近第一壁的增殖层⁶Li富集度不能过低,以减少长期运行中Li的消耗对氚增殖性能的影响。借助蒙特卡罗程序MCNP建立11.25°对称模型,全堆包层氚增殖率为1.176,包层寿期内产氚性能稳定,在包层寿命运行时间内的燃耗分布相对均匀。     

高氚增殖比包层的设计及热工水力分析

本文设计了一种高氚增殖比包层(HBRB),该包层采用多孔U-10Zr合金作为中子倍增剂,Li4SiO4球床作为增殖剂,低活化马氏体(RAFM)钢作为结构材料。在详细研究包层加工工艺、流量分配、中子性能等问题的基础上,完成了包层内部详细结构设计。利用中子学软件分析计算了包层的氚增殖比(TBR)和热沉积分布,并根据计算结果对包层进行热力耦合分析。结果表明:包层TBR较高,且核性能稳定;冷却剂的流量分配情况和压降合理;包层内各组件冷却充分,温度和结构材料热应力不超过限值。     

双功能液态锂铅包层氚增殖性能分析

双功能液态锂铅(DFLL)包层作为一种高性能的产氚包层,是中国聚变工程实验堆(CFETR)的候选包层之一。氚增殖比(TBR)是产氚包层核心设计参数之一,是评估聚变堆氚自持性能的重要指标,有必要对其进行详细分析。本文介绍了DFLL包层氚增殖性能数值分析与实验验证工作。其中数值分析采用中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC建立了全堆三维中子学模型,计算分析了包层不同位置处的TBR值,并对影响包层氚增殖性能的相关因素,如第一壁材料、钨护甲、包层增殖区厚度、6 Li富集度等进行了敏感性分析及参数优化;实验验证工作利用强流聚变中子源HINEG,开展了DFLL中子学实验模块不同位置产氚率(TPR)测量。研究结果显示,经过优化的DFLL包层TBR设计参数可达到1.208,满足CFETR第一阶段的氚自持要求;实验结果与理论计算结果的最大偏差为8%以内符合,实验结果的测量不确定度在2σ内优于9.8%。     

Li4SiO4陶瓷球的研制

产氚包层是聚变堆的关键系统，其设计与研发是我国参与ITER计划的重要研究领域。氦冷／固态氚增殖剂产氚包层采用锂陶瓷材料，目前，国际上最为关注的是具有较为优异和全面氚增殖特性的LinSiO4和Li2TiO3等。     

基于D-T聚变中子源的双功能液态铅锂包层中子学实验

中国双功能锂铅包层(Dual Functional Lithium-Lead,DFLL)是由中国科学院合肥物质科学研究院核能安全技术研究所设计的用于聚变反应堆的液态包层.由于聚变反应堆氚增殖包层的设计高度依赖于中子计算,为验证DFLL包层设计中所使用的核数据库和仿真软件,建立了DFLL包层实验模块,并基于D-T聚变中子...     

固态氚增殖剂研究进展

增殖包层作为实现可控核聚变燃料"自持"的关键,不仅能实现氚的增殖,而且起着能量转换的作用,氚增殖剂是其中最重要的功能材料。本文从材料体系的制备、性能以及改性总结了固态氚增殖剂的发展趋势。同时,基于当前的研究现状对固态氚增殖剂的发展进行了展望。