1 / 21

CFETR 项目需解决的关键问题 关于总体设计的一些考虑

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 主机. CFETR 磁体. CFETR 核岛. 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。 一期采取类 ITER 科学技术，目标为 20 万千瓦，实现稳定、可靠、安全、氚自持和稳态运行。

vin
Download Presentation

CFETR 项目需解决的关键问题 关于总体设计的一些考虑

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. CFETR项目需解决的关键问题关于总体设计的一些考虑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

  2. 中国聚变工程实验堆China Fusion Engineering Test Reactor (CFETR) CFETR主机 CFETR磁体 CFETR核岛

  3. 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。 • 一期采取类ITER科学技术，目标为20万千瓦，实现稳定、可靠、安全、氚自持和稳态运行。 • 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。

  4. 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。 • 在建设方面采用ITER 70%的技术积累，弥补ITER短时间（400秒）、氚不能自持、不发电等功能。 • 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。

  5. 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%)。 • 对反应堆等离子体物理理解与工程相比较弱，可以通过广泛的国际合作，引入大批一流国际专家，未来5-10年在EAST开展高水平长脉冲实验，培养队伍。 • 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。

  6. 一些重要问题的考虑与对策 • 能否长时间运行（burningtime, 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

  7. 如何长时间运行（Burning 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 • 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

  8. Options of Core Plasma

  9. 内部部件更换的情况分析 建议采用的VV结构 半年全部包层更换 • 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 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

  10. 垂直吊装的考虑和优点 教大的低场区 延展 • 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 上部热室 吊装空间

  11. 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 Pellet for fuelling 2 sets of Remote Maintenance 4 sets of SG for power generation

  12. 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

  13. 加热、驱动与诊断 Up to 0.3 H.Zohm

  14. H&CD and diagnostics 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

  15. Phase II of CFETR: DEMO validation DIII-D Stationary discharges at βN ~ 3.1, fNI ~ 0.8, DIII-D /EAST efforts at βN ~ 3.5, fNI ~ 0.9, 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

  16. Phase II of CFETR: DEMO validation

  17. 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

  18. 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。

  19. 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，2-3hours 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。

  20. 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。

  21. 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

More Related