基于氦冷固体增殖包层概念的中国DEMO堆的三维中子学研究

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1 基于氦冷固体增殖包层概念的中国DEMO堆的三维中子学研究
核工业西南物理研究院 第十三届全国等离子体科学技术会议 , 8, 20-22, 成都 基于氦冷固体增殖包层概念的中国DEMO堆的三维中子学研究 张国书，冯开明，李增强，袁涛 核工业西南物理研究院 摘 要 现阶段中国将同步独立发展具有自主知识产权的陶瓷固体和液态PbLi两个概念的ITER试验包层在ITER上开展试验研究。本论文拟对其中之一的陶瓷固体增殖包层概念的DEMO堆的中子学设计问题进行研究。中国DEMO包层中子学研究是ITER TBM项目的重要组成部分，只有建立起TBM和DEMO的有机联系，ITER TBM的工作才能有的放矢。第一部分完成了三种HCSB DEMO的设计方案，它们分别适合于TBM电磁力学、结构工艺、热工水力等试验与测试，高功率密度情况下增殖材料的增殖与换热特性试验与测试，DEMO包层优化方案的设计研究。研究发现，虽然ITER的壁负载较小，不能全方位模拟DEMO包层, 但可以在单项指标上达到DEMO水平。第二部分完成了具有与CH ITER HCSB TBM包层相同材料布置及结构的DEMO全堆中子学初步计算。初步结果显示氚增殖比为1.11，满足氚自持。第三部分，通过对ITER TBM与DEMO包层计算模型的分析计算，发现ITER TBM外部为屏蔽包层，而DEMO所有包层都是增殖包层，两者边界不同，导致能谱、功率产生及氚增殖有差异，并建议今后应开展TBM与DEMO包层差异性的比较，以利于提出DEMO包层发展的优先方向。 1.引言 ITER试验包层模块（Test Blanket Module,TBM )是一个被放入ITER试验窗口里的氚增殖包层模块，用以开展包层系统的运行和控制、产氚、排热、中子辐照特性和材料相容性等实验研究，所获得的关键技术和数据结果，直接服务于发展下一步DEMO聚变堆包层技术。然而DEMO堆的中子壁负载是ITER TBM的三倍多，而且ITER TBM是一个周围全是屏蔽包层的孤立增殖包层，其边界环境实际上与DEMO包层相差很大，怎样在ITER TBM与DEMO包层之间建立起这种内在联系，是我们国内目前面临的非常迫切的重要课题。包层中子学设计在D-T聚变堆设计研究中具有核心地位，它一方面为堆系统设计提供理论基础与原理性的依据，同时也为其它系统设计提供关键的热源项和氚产生源项。对基于HCSB概念的DEMO包层进行研究，目的是对于ITER TBM与DEMO包层之间的内在联系进行探索性分析研究，以便提出ITER TBM以及DEMO的更好的发展方向与途径。本论文将通过三维中子学计算程序的分析计算，开展三种HCSB DEMO包层的设计方案优化研究，HCSB DEMO三维全堆中子学计算，以及ITER TBM与DEMO包层差异性研究。期望建立起TBM和DEMO的有机联系，使ITER TBM的工作能有的放矢。 2 中国DEMO聚变堆的堆芯参数及结构描述 中国DEMO聚变堆概念设计的堆芯参数如表1所示。从表中可见，中国DEMO的聚变功率为2000MW、大半径7m、小半径1.4m、平均中子壁负载2.64MW/m2。DEMO的规模和功率水平比ITER大3-4倍，因此ITER TBM与DEMO包层之间还存在较大距离，尤对材料、排热及应力设计影响较大。 图1为中国DEMO聚变堆概念设计的三维结构图示。从图中可见，中国DEMO核岛部分包括：第一壁、氚增殖包层、真空室、屏蔽、超导磁体、中心支撑筒等组成。第一壁/包层为模块结构，其中沿极向14个模块组成，环向418个。包层模块通过赤道平面上两个TF线圈间的真空室窗口进行装卸。内侧FW/包层/集管组件径向厚0.63m、外侧FW/包层/集管组件径向厚0.8m；内侧真空室总厚度为0.5515m，是由两层0.06m厚的不锈钢和0.4315m厚的B4C屏蔽夹层构成；外侧真空室总厚度为0.7515m，是由两层0.06m厚的不锈钢和0.6315m厚的B4C屏蔽夹层构成。内、外侧TFC厚度为均为0.89m。 表1 中国DEMO的主要堆芯参数 大半径, R/m 7 小半径, a/m 1.4 聚变功率, Pf/MW 2000 拉长度, k 1.85 三角变形因子, δ 0.3 归一划比压制值, ßn 3.5 中子壁负载, Wn/MW/m2 2.64 平均的FW负载, MW/m2 0.4 最大的FW中子负载, MW/m2 0.7 图2 三种包层方案的一维径向材料分布 表2 三种包层方案的材料区厚度尺寸 方案 方案 方案 1 厚度 (cm): Be瓦 FW /2.0/ /2/ /1.5/1.2 冷却板 ＊ ＊ ＊1.0 Be球床 /2.0/5.0/6.0/ /25.0/ /4.5/6.5/8.0 Li4SiO4球床 /2.0/2.5/ / /2.5/3.0 后板 Total /cm 表3 三种包层的一维中子学计算结果 方案 1 方案 2 方案 3 氚增殖比, TBR 1.22 1.34 1.43 峰值功率密度 (MW/m3) Li4SiO4 1区 (ITER: Wn=0.78MW/m2) 6.94 20.58 11.46 (DEMO: Wn=2.64MW/m2) 23.49 69.66 38.79 图1 中国HCSB DEMO的三维结构示意图 3. 三种包层方案 图2给出三种包层的方案图示。表2给出三种增殖包层方案的材料及几何： 方案1：左边第一幅图HCSB TBM原材料及几何布置图。该方案特点是4个Li4SiO4区、5个Be区、8个冷却板；总厚度45.7cm。 方案2：左边第二幅图HCSB TBM原材料及几何布置图。该方案特点是2个Li4SiO4区、3个Be区、5个冷却板；总厚度51.5cm。 方案3：左边第三幅图HCSB TBM原材料及几何布置图。该方案特点是3个Li4SiO4区、4个Be区、7个冷却板；总厚度43.7cm。 假定ITER（Wn=0.78MW/m2 ）和DEMO(Wn=0.78MW/m2)两种聚变功率条件下进行一维中子学计算，得到的主要结果及讨论如下： 1）方案1-3中，一维计算得到的TBR分别为：1.22、1.34和1.43； 2）取中子壁负载为0.78MW/m2，所有最大功率密度都在第一Li4SiO4，分别为：6.94MW/m2、20.58MW/m2及11.46MW/m2。 3）方案1有4个Li4SiO4区，结构最复杂，但是功率密度最低。适宜于完成稳妥的TBM电磁力学、结构工艺、热工水力等综合试验与测试； 4）方案2只有2个Li4SiO4区，结构最简单，但是功率密度最高，是方案1的3倍，与DEMO第一壁负载是ITER的3倍相同，意味着在特定研究方向，ITER TBM可以模拟 DEMO包层，如适宜于完成高功率密度情况下的增殖材料的增殖特性与换热特性试验与测试。 5）方案3的结构和功率密度介于方案1和2之间，而且氚增殖比最大。适宜于DEMO包层优化方案的设计研究。 总之，方案1-3都是不错方案，具有不同特色，可以完成不同试验与测试任务。其中方案3兼具结构简单、功率密度适中及氚增比较高的特点，是DEMO包层较佳的候选方案。 张国书，等 第十三届全国等离子体科学技术会议 , 8, 20-22, 成都

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核工业西南物理研究院 第十三届全国等离子体科学技术会议 , 8, 20-22, 成都 基于氦冷固体增殖包层概念的中国DEMO堆的三维中子学研究 张国书，冯开明，李增强，袁涛 核工业西南物理研究院 4. DEMO的三维氚自持计算 采用如图1的全堆结构和材料，第一壁和增殖包层所用结构材料为低活化铁素体钢Eurofer，其它部件的结构材料均为316SS钢。此外，真空室材料是由两层316SS不锈钢和B4C屏蔽夹层构成；TFC材料包括Nb3Sn、316SS、聚酰亚胺和铜。采用三种包层方案进行计算，该三种包层材料和几何的径向布置与图2所示相同。三维计算模型尺寸如图3所示，依此建立完成的DEMO的三维全堆MCNP程序计算模型，如图4所示。模型取全堆的环向1/18，即20o进行计算。 通过采用MCNP程序和非均匀中子源，完成了具有HCSB氚增殖包层、2000MW聚变功率的中国DEMO的三维中子学计算。如表4所示为利用MCNP计算得到三维中国DEMO为氚增殖比计算结果。从计算结果可见，方案1、2和3的氚增殖比分别为0.95、1.04和1.11。其中方案1与CH ITER HCSB TBM相同，标明ITER TBM方案不能用于DEMO包层。相对起来，方案3的TBR最大。具有最好的氚增殖性能。 表4 三种包层方案 的氚增殖比计算结果 方案 1 (4 BZ) 方案 2 (2 BZ) 方案 3 (3 BZ) 氚增殖比, TBR 0.95 1.04 1.11 图3 中国DEMO的模型尺寸示意图 图5 方案A和方案B的计算模型图 表5 方案A和方案B两种模型的峰值功率密度、功率沉积及氚产生计算结果 包层类型 模拟类型 峰值功率密度 (MW/m3) 功率沉积 (MW) 氚氚产生 (氚原子/中子) 方案A: 增殖包层 +TBM DEMO 12.02 0.657 2.88E-02 方案 B: 屏蔽包层 +TBM ITER 6.94 0.528 1.83E-02 图4 中国HCSB DEMO的MCNP计算模型 5 ITER TBM与DEMO包层的比较研究 ITER TBM不仅与DEMO包层不仅在聚变功率存在很大差距，而且中子能谱也存在很大差别。为了进行ITER TBM和DEMO增殖包层的比较，我们设计了两种计算模型方案进行了初步的计算分析。参考ITER试验堆设计，假定了两种计算模型方案，即方案A和方案B，如图5所示。两方案的相同假定有：工程参数和部件都采用相同的ITER-FEAT的设计参数，如大半径6.2 m，小半径2.0m，聚变功率500 MW；中子源项设计、真空室、超导磁体等的材料和几何与ITER设计相同，都不考虑冷却流道及格架等结构材料；两方案的不同假定有：两方案的包层部件不同，分别为方案A的氚增殖包层和方案B的屏蔽包层；方案A包层都是氚增殖包层，类似DEMO（DEMO-like）模型，方案B包层都是屏蔽包层，类似ITER（ITER-like）模型。两包层都被人为设计两个尺寸与ITER相同的试验窗口，用于放入相同的Li4SiO4固体氚增殖包层模块（TBM）。 图8 Li4SiO4的中子能谱分布 图7 沿径向的功率密度布 图9 Be区的中子能谱分布 图6 沿径向的总中子通量分布 表5给出局部模型、方案A及方案B的TBM功率沉积。可见，局部模型的功率密度最高，方案A次之，方案B最低，这是因为方案A和B都是三维全堆模型，而局部模型采用一维程序计算，且中子源项及边界都相差很大。对于方案A和B的比较，方案A的功率沉积比方案B的大24.4%。 图6给出方案A和方案B两计算模型的延径向的总中子通量分布。可见，总起来讲方案A的中子通量比方案B要大，在第一壁和两个Li4SiO4增殖区的中子通量比Be区和冷却板的还要大表明方案A方案B会生产更多的氚和功率。图7是局部模型、方案A及方案B的TBM内功率密度沿径向的分布。从图中可见，三个计算模型结果相差很大：总起来讲，局部模块结果最大。就方案A和B的比较，对于第一增殖区的功率密度，方案A比反感B大50%。图8是方案A和方案B两计算模型的Li4SiO4区的中子能谱。从图中可见，两方案第一壁的中子两方案的第一壁中子能谱在0.001MeV-1MeV间相差较大。第一增殖区比第二增殖区的中子通量比第二增殖区最大要大7-8倍，第一区对氚增殖贡献是占绝大部分。图9是方案A和方案B两计算模型的Be中子倍增区的中子能谱。从图中可见，两方案的所有Be区的中子能谱在大于110-6MeV的能量区域相差较小，但是在小于110-6MeV的能量区，特别是第三Be区的能谱相差非常大。这是因为第三Be区的厚度为38.5cm，产生的大量次级中子没能够被及时吸收，而且Be原子序数小，对中子有加大的慢化作用，因此在热能区域沉积如此多的热中子。这部分热中子产生的热沉积的排出估计不会太麻烦，不过对于该部分中子怎样利用，还需进步研究。 6. 结论 通过MCNP中子学程序对中国HCSB DEMO的中子学计算分析，可以得到以下几点结论： ITER TBM与DEMO的壁负载相差3倍，ITER TBM显然不能全方位直接模拟DEMO条件，但是HCSB TBM可以在单项指标上达到DEMO水平，因此ITER TBM对于DEMO 包层具有非常重要意义。 以ITER TBM作为DEMO包层，TBR为0.95，不能满足氚自持要求；若选择方案3作为中国DEMO的TBR最大，其TBR为1.11，能达到氚自持要求。 计算了方案A模型和方案B模型，给出中子通量谱有显著差别。此外， 对于TBM模块的氚增殖比/最大功率密度/总功率，方案A分别是方案B的1.57/1.53/1.24倍，表明 ITER TBM外围屏蔽包层的对TBM的中子学性能影响十分显著,应当引起相当关注。 张国书，等 第十三届全国等离子体科学技术会议 , 8, 20-22, 成都