CFETR项目需解决的关键问题 关于总体设计的一些考虑 李建刚(j_li@ipp.ac.cn) 2013.12四室学术报告会

中国聚变工程实验堆 China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR)

CFETR科学和技术目标 填补ITER和聚变示范堆（DEMO)之间的科学技术差距，演示连续大规模聚变能安全、稳定发电的工程可行性。 二期以自主创新为主，目标为大于100万千瓦，探索示范堆先进安全的重大科学和技术问题，研究聚变堆材料、发电效率，开展聚变电站的安全和经济性研究，为在本世纪中叶，在我国独立自主大规模建设聚变电站奠定坚实科学技术基础。

CFETR与ITER的关系 采用ITER全超导托克马克技术路线，吸收消化ITER技术，尺寸与ITER（85% ITER尺寸）相当。 一期实现较为可靠稳妥的科学目标（200MW），但工程上实现稳态连续和氚自持，研究聚变堆工程可行性。 在科学实验方面，在短时间尺度（400-3000秒）充分利用ITER，并与之相互对比、验证，充分分享ITER科学成果和经验。 二期充分利用国内外最先进经验和科学实验成果，通过堆内部件的简单升级和采用先进物理，在同一个堆上实现大于1000MW聚变能输出，研究示范堆重大科学、工程技术、安全、经济性等问题。与ITER实现互补。

可行性及风险分析 通过EAST、ITER的建设，成功建设实验堆主机和大部分辅助系统的把握较大（>90%)。 尚有一些关键技术我国积累较少，如实验包层及材料、远程智能遥操、大型氚工艺、燃料循环等。急需开展先期预研。预研的成功可以大大减少风险！ 福岛核事故为我们重新审视更高的安全标准提供很好的参考。氚的分离储存要考虑最坏条件：同时停电、停水、爆炸。同时科学的宣传聚变堆的固有安全性：无停堆燃料融化、高放辐射的问题。

一些重要问题的考虑与对策 能否长时间运行（burning time, 0.3-0.5 占空比） 如何选择包层(氚的滞留和提取） 如何提高avalability , 如何更换内部部件 偏滤器的选择和解决方案 如何选择加热和驱动 如何选择诊断和控制 如何确定燃料的滞留 托卡马克主机的一些原则和考虑 辅助系统的一些原则和考虑

如何长时间运行（Burning time） ITER： 120wb, 90（80）wb for ramp-up, burn, 400s-3000s （30） CFETR ~100 wb, Ip=7-10MA， 45wb for ramp-up, 55wb for burn Solutions: Nb3Al (2212HTc) CS：30% higher 130wb Ramp-up： 10MWEC+15MWLH： 20% saving: 10 wb ~90 wb for burn time Ip = 7MA, Pfu = 50-100MW Ramp up: 35 wb, tsatrt-up~ 100s Burn time: 90wb, tburn > 7200s-SSO at beta N =1.5, fbt=0.25-0.5 Ip = 10 MA, Pfu=400MW Ramp-up：45wb, tsatrt-up~ 150s Burn time: 75 > 5600s -SSO at beta N =2, fbt=0. 5-0.75 两次放电间隔：5-10分钟（励磁） 很容易实现占空比：0.3-0.5

Options of Core Plasma Opt1 Opt3 Opt4 R(m)/a(m) 3.7/1.2 Ip(MA) 11 9.0 8.5 βN 1.6 2.0 2.8 κ δ 0.7 B0(T) 4 3 Safety factor 4.0 3.3 4.9 5.2 Pfus (MW) 110 90 115 200 ne(1019/m3) 8.2 (0.35nGW) 7.5 (0.3nGW) 8.5 (0.42nGW) 9.5 (0.5nGW) NWL(MW/m2) 0.32 0.27 0.34 0.60 fBS 12% 13% 19% 31% PCD(MW) 60 50 80 HH(y2,98) 0.95 0.90 1.2 Operation model hybrid SS Burning time(s) 2000 6500

内部部件更换的情况分析 偏滤器靶板瓦（ELM，Halo，破裂），LW RH更换。 包层FW瓦 （破裂，高能粒子），HW RH 更换，数天 建议采用的VV结构 偏滤器靶板瓦（ELM，Halo，破裂），LW RH更换。 包层FW瓦 （破裂，高能粒子），HW RH 更换，数天 偏滤器CASK损坏， LW RH 水平窗口部件（天线、诊断、NBI、TBM），HW RH，数周 包层更换（按方式，在VV内分别有2-3种主包层，有1-2种窗口测试包层）VW RH，数月 全部内部部件更换， VW+LW，1年 半年全部包层更换 4-8个水平窗口 RH对部件快速更换 B-I B-II 快速偏滤器部件更换 6个月全部偏滤器更换

垂直吊装的考虑和优点 VV外中子泄漏大大减低 简化安装及部件传输过程 热室利用率高 不如水平切割拆卸方便 教大的低场区 延展 上部热室 吊装空间 VV外中子泄漏大大减低 简化安装及部件传输过程 热室利用率高 不如水平切割拆卸方便

最有价值的设计参考:日本SSTR 4 sets of SG for power generation 2 sets of Remote Maintenance 2 sets of Neutral Beam lines ECH for pre-ionization 2 sets of Remote Maintenance Pellet for fuelling 4 sets of SG for power generation

最有价值的设计参考:日本SSTR Polar Crane Replaceable Blanket Cask (Vertical maintenance) 4 sets of SG for power generation Divertor maintenance rooms Power Supplies for NBI Vacuum Pumping System/room

加热、驱动与诊断 Up to 0.3 H.Zohm

H&CD and diagnostics Key diagnostics（16-26）: Q~1-3, t> 2 hour-SSO 第一阶段 Pfusion ~ 50-100 MW，3~5dpa Ip = 6-8MA, Bt=4.5T, BetaN=1.5-2 LHCD: 4.6GHz, 15MW( 1 port) NNBI: 250keV, > 2 hours 20MW ( 1 port)，off-aix posibility ECRH: 170GHz, 20MW (1 R port) ICRF 30-50MHz, 30MW （加热） ITER-like 诊断 (26) ( 5 up port, 5 low port, 3 M port) Key diagnostics（16-26）: SSO magnetic Surface monitors (camera?) performance + control Retension&Dust By A.Costley

Phase II of CFETR: DEMO validation Phase 2: AT H-mode (DT-2,6-8y) Ip=14MA； Bt=5.3T, BetaN=3.0 R=6.0m, a=2.0m, K=2.0, Advanced TMB Q~ 10, Pfus = 1000MW, Qeng > 1 (200MW net electricity generation) ITER-like diagnostics (26) + DEMO-magnetic. Extension DIII-D AT(10s) to EAST(1000s) Explore possibility for higher Ini ~1 Explore possibility for EC (H&CD) only DIII-D Stationary discharges at βN ~ 3.1, fNI ~ 0.8, DIII-D /EAST efforts at βN ~ 3.5, fNI ~ 0.9,

Phase II of CFETR: DEMO validation

Divertor concept validation EAST 2013-2015 Ptotal = 34 MW CW ITER-like W divertor 10MW/m2, full metal CFETR- Super-X CFETR- Snowflake EAST- Snowflake EAST: snowflake experiments Vs EFIT+TSC+B2, Radiation+detache CFETR: Snowflake, Super-x, Snowflake+Super-x, adding D1+D2 coils new concept exploration

托卡马克主机的一些原则和考虑 TF数为16，铁磁材料的波纹度可以忽略不计 4个大垂直窗口，水平窗口中等尺寸，留2个切向窗口,用于安装VS或雪花偏滤器线圈，安装两个NBI系统。 真空室参考ITER，为双层结构，中间可以通硼化水或氦气,辅以WC，实现对热中子的最后一道屏蔽。 PF线圈按大垂直窗口位置布放。 下单零偏滤器位型结构 真空室未来运行温度小于300度，可以尽可能留有足够大的内部空间，低场区尽可能有较大的三角形变。由于是LSN位型，可以考虑上下非对称，给下半部留下大的空间，即下部偏滤器部位的真空室形状可以大一些曲率，给偏滤器抽气流导，特别是雪花偏滤器线圈留下足够空间。 下偏滤器要留6-8个类ITER窗口，用于外置式低温泵交替工作（4个），以及诊断。像ITER一样通过RH，可以更换数个偏滤器或移出全部偏滤器。

有关包层的一些原则和考虑 由于CFETR中子量要比ITER大2-3个量级，中子的屏蔽至关重要，包层的屏蔽要求要比ITER高两个量级，以保障超导磁体在20年内不会受辐照损伤而影响性能。 为保障TBR和防止中子在窗口处的泄漏，水平窗口要竟可能的少。 包层是未来产氚和产能的最重要的关键部件，一定要有2-4种不同的方法（2种最可行的产氚，2种考虑未来DEMO应用，考虑较高的热效率），分布在极向2-3个部位，大环连续。 建议开始水冷、氦冷设计的概念和物理设计。 T-system(close cycling of T，90% of T from exhausting system，2-3 hours for T reprocessing . 10% T from TBM，6-12h）。T在VV滞留是小量（10g)，在管道中是大量（kg/y), 防氚涂层（减低100以上）是必须的。 要把包层提氚与运行模式紧密耦合，VV内现阶段的知识有一定积累。T-plant 运行模式要根据包层的类别优化。 热效率从30%--提高到40%是未来能否实现净发电的重要一环，包层设计要考虑留有升级余地。

辅助系统的一些原则和考虑 低温、CODAC、水冷等系统目前按ITER一样即可 诊断在A.Costley报告的基础上，考虑最简单的诊断系统，重点是位型、密度、中子、高能粒子、偏滤器&PFC状态、DUST等与装置安全运行密切相关的诊断。先考虑12-15项。 ECRH：基本在ITER的基础上，重点考虑ECCD 20MW。 LHCD：20MW 4.6GHz， PAM天线 NBI：采用500keV 负离子源，off-aix加热和驱动。 ICRF：采用分布式天线，尽快开始在托卡马克上的实验。 调研热室在托卡马克厅上面、下面的可行性。 大规模氚工厂的技术差距和5-10年road map RH：如果采用垂直吊装，只要吸收消化JET+ITER即可 电源部分要考虑发电功能（留有提高热效率的升级余地），总消耗电功率争取控制在400MW以内。

Summary CFETR目标明确，一期任务中的最重要问题是如何实现稳态运行和氚自持. 参照ITER，建设该系统应该没用问题，请大家认真调研，参考过去国外（ITER）的设计，尽快分工明确，确定最主要的待解决科学和技术问题 针对这些科学技术问题，列出零级量问题中的关键R&D条目. 最大限度的利用国际合作。 目标是3-5年基本完成闭环的工程设计和建设R&D