李增强 张国书 冯开明 袁涛 核工业西南物理研究院 lizq@swip.ac

1. TBM 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 2007,8,20-22, 成都 ITER 中国氦冷固态氚增殖剂包层中子学设计 李增强 张国书 冯开明 袁涛 核工业西南物理研究院 lizq@swip.ac.cn 1.引言 ITER实验包层模块（Test Blanket Modules, TBM）是将来发展DEMO聚变堆包层技术而进行电磁性能测试、热工水力学测试、氚增殖实验的重要工具，也是验证未来聚变反应堆能否实现氚自持、高热量的提取的重要实验平台。是ITER可以提供在综合聚变环境下进行包层决定性测试的唯一可用机会。ITER是可以提供在综合聚变环境下进行包层决定性测试的唯一可用机会，ITER-TBM(实验包层模块)计划是ITER各方氚增殖与获得能源的技术发展的中心问题，包层实验是ITER关键任务之一，是ITER与DEMO之间的决定性纽带。ITER-TBM的主要目是：1) 演示包层氚增殖性能和氚在线提取与控制技术；2) 演示高温排热以及可用于发电热的获得；3) 验证设计工具和database, 包括中子学、电磁、热工水力、冷却系统设计、结构等软件代码的有效性；4) 证实包层在热、结构和电磁载荷作用下综合性能及事故态时的安全性；5) 观察包层模块在可能辐照条件下的性能；6) 证实维修途径和工具；7) 获取包层及其实验模块相关的可行性信息。按计划, TBM要在ITER运行初期就放入，其位置在ITER装置中中子流强最高、热流密度最大的赤道面上，因其位置的强中子性，TBM中的大量问题都受中子的影响，所以中子学计算显得非常重要。 • 2.结构描述 • HCSB TBM模块是假定放在空间为1/2的ITER实验窗口的嵌套内，TBM的尺寸为环向宽484mm，极向高1660mm和径向深670mm。沿TBM环绕的嵌套厚度为200mm； • .整个实验包层模块由U型壁、盖板、冷却板、后板、侧壁、陶瓷增殖剂和中子倍增剂组成； • U型壁、盖板和后板构成整个包层盒，包层盒面向等离子体的一侧为第一壁； • 后板上加工有氦冷供给和回收多支管； • 陶瓷氚增殖剂硅酸锂（Li4SiO4）和中子倍增剂铍（Be）以球床的形式被冷却板包裹； • 结构材料选用低活性铁素体钢EUROFER； • U型壁上加工了完整的氦气通道，来冷却第一壁上所沉积的热量； • 陶瓷增殖区和中子倍增区所有产生的热量由加工有完整氦气通道的冷却板冷却； • 中国氦冷固态增殖剂实验包层模块的结构材料暂时选用欧洲的低活性铁素体钢EUROFER； • TBM内部增殖区采用了模块化的设计方案，内部隔板将增殖区分隔成环向长度 203mm，极向长度 420mm，径向长度 203mm的2×6的12个增殖单元模块，子模块间有隔板隔开。 图1 TBM、ITER与DEMO的关系 图2 CH HCSB TBM结构示意图。 3. 3-D MCNP建模与计算 • 计算采用中子输运程序MCNP/4C及FENDL-2.0截面数据库； • HCSB TBM的计算模型嵌入到ITER-FEAT模型中； • ITER-FEAT共有18个TFC磁体，根据对称性，取1/18或20o扇面截块作为计算模型； • 中子产生于参考ITER-FEAT使用的D型等离子体内，计算时取二百万源中子保证其精度。 图4 TBM俯视图 图5 TBM正面剖视图 图3 HCSB TBM与ITER-FEAT 剖面图 • 4 .三维中子学计算结果 • TBM内总的能量沉积为0.587MW • Local TBR为0.57，TBR为0.0131，Li6（90%） Local TBR为0.569， Li7（ 10%） Local TBR为0.00189 • 在ITER实际运行状况下，产氚率为0.0123g/d （运行因子22%） • 最高功率密度是6.26MW/m3,位置在第一壁，氚增殖区内的最高功率密度出现在第一层Li4SiO4中，其值为5.80MW/m3。 表1 各功能区内能量沉积 表1 各个子模块中的TBR、TPR 图7 12个子模块的排列 图6 功率密度在半径方向的分布 5. 余热、BHP及活化计算 • 有中子的活化引起的放射性和余热计算对聚变堆是非常重要的，环境影响的评价，事故分析，维修程序，以及某种程度上包层和屏蔽材料地选择都依赖于放射性和预热的确定； • 采用有DKR发展而来的FDKR程序以及与FDKR程序配套的衰变链数据库AF-DCDLIB 进行计算； • 结构材料采用EUROFER97-T数据； • 中子通量采用3-D MCNP计算结果； • 由于数据库局限，本次计算没有计算中子倍增材料Be。 停堆初始，总的活化为6.5MCi，一百年后，基本趋于零。 在停堆初时，总的BHP为4984KM3/KW，到后期，BHP主要来自于Li4SiO4。 在停堆初时，余热是0.025MW. 10年以后总的余热为 5.7×10-5MW.，同样的，到停堆后期，余热主要来自于Li4SiO4。 图10 材料活化随停堆时间的变化 图9 余热随停堆时间的变化 图8 BHP随停堆时间的变化 总结 新的CH HCSB TBM 2×6结构模型已经被确立起来，其结构和尺寸都有较大的改动。基于此模型，借助三维中子学输运程序MCNP/4C及FENDL-2.0截面数据库的中子学设计已经完成。在此次三维MCNP建模中，把中国HCSB TBM的计算模型嵌入到ITER-FEAT模型中，然后进行整个模块计算。同时为了减少计算中的误差，采用了二百万个源中子进行计算，这尽可能地保证了计算结果的精度。通过计算获得整个TBM的能量沉积为 0.587MW，Local TBR为0.57，在ITER实际运行状况下，氚产生率为0.0123g/d，TBM内最高功率密度为6.26MW/m3，其出现在第一壁的位置。同时，利用3-D MCNP模型计算出的中子通量和放射性计算程序FDKR，对TBM在停堆后的余热、潜在生物危害因子（BHP）和中子引起的活化也进行了初步计算，计算结果能够较好的满足TBM安全要求。 李增强，等. 第十三届全国等离子体科学技术会议2007, 8, 20-22, 成都