包層調(diào)研報(bào)告

1、包層調(diào)研報(bào)告Report of Test Blanket Module 2014/10/28目錄1. 概述2.2.1 EU_HCPB (European Helium Cooled Pebble Bed) 2.10 HCPB概述2.11 HCPB工程描述2.12 HCPB中子學(xué)分析2.13 HCPB熱工水力學(xué)分析2.2 EU_ HCLL (European Helium Cooled Lithium Lead Test Blanket Module )2.20 HCLL概述2.21 HCLL工程描述2.22 HCLL中子學(xué)分析2.23 HCLL熱工水力學(xué)分析2.3 US_DCLL ( DUAL

2、 COOLANT Pb-17Li TEST BLANKET MODULE)2.30 DCLL概述2.31 DCLL工程描述2.32 DCLL中子學(xué)分析2.33 DCLL熱工水力學(xué)分析2.4 US_ HCCB (U.S. Helium-Cooled Solid Breeder)2.40 HCCB概述2.41 HCCB工程描述2.42 HCCB中子學(xué)分析2.43 HCCB熱工水力學(xué)分析2.5 RF_CHC (Russian Federation Ceramic Helium Cooled)2.50 CHC概述2.51 CHC工程描述2.52 CHC中子學(xué)分析2.53 CHC熱工水力學(xué)分析2.6 J

3、P_HCSB (Japan Helium Cooled Solid Breeder)2.60 HCSB概述2.61 HCSB工程描述2.62 HCSB中子學(xué)分析2.63 HCSB熱工水力學(xué)分析3. 總結(jié)4. 參考資料1. 概述：ITER 測試包層工作小組TBWG（Test Blanket Working Group）要求ITER的每一個(gè)參與方都要參加TBM（Test Blanket Modules）項(xiàng)目并提供各自的包層設(shè)計(jì)報(bào)告DDD（design description document），本文主要介紹了當(dāng)前國際上的部分國家TBM的設(shè)計(jì)概況。 ITER 最主要的目標(biāo)之一就是測試和驗(yàn)證一個(gè)功率反

4、應(yīng)堆的氚增殖包層的性能。這項(xiàng)測試對象就是TBM。ITER提供3個(gè)赤道窗口，編號分別為#16、#18、#2(1.75 m寬 2.2 m高)用以TBM測試，實(shí)驗(yàn)最多可以測試6個(gè)TBM。TBM測試的主要目標(biāo)： 驗(yàn)證TBM結(jié)構(gòu)的完整性; 氚增殖性能和實(shí)時(shí)地提氚與控制技術(shù); 具有獲取和傳輸高能熱能的能力，提高熱功率; 獲得不同運(yùn)行條件下的綜合性能參數(shù)。圖1.1 ITER-TBS（Test Blanket System）和赤道窗口示意圖TBM/TBS的設(shè)計(jì)必須要滿足ITER的功率需求，其主要設(shè)計(jì)要求包括： 最大聚變額定功率：0.5GW； 最大聚變能偏移（Maximum Fusion Power Excur

5、sions ）：20%； 偏移持續(xù)時(shí)間：10s； 脈沖持續(xù)時(shí)間：400s； 脈沖重復(fù)時(shí)間：1800s； 第一壁能移除最大約為0.5MW/表面熱通量； TBS滿足一定的TBR； 總的TBM熱能：3MW； 最大的中子壁負(fù)載：0.78MW/。測試包層系統(tǒng) TBS（Test Blanket System）主要由以下系統(tǒng)組成： The Test Blanket Module (TBM). The TBM Port Plug (PP). Interspace/Port Cell Piping (IP). The Helium Coolant System (HCS). The Coolant Purifi

6、cation System (CPS). Other systems.表1.1 不同實(shí)驗(yàn)包層模塊概念的基本特征TBM概念冷卻劑氚增殖劑中子倍增劑結(jié)構(gòu)材料代表各國氦冷/陶瓷氦冷鋰陶瓷鈹鐵素體鋼所有氦冷/鋰鉛氦冷/鋰鉛液態(tài)鋰鉛鉛鐵素體鋼歐、美、中水冷/陶瓷水冷鋰陶瓷鈹鐵素體鋼日自冷/鋰釩自冷/鋰液態(tài)鋰無釩基合金日、俄自冷/熔鹽自冷/熔鹽熔鹽/FLiBe鈹鐵素體鋼美（已放棄）本文簡要地對不同種類TBM的、要求、結(jié)構(gòu)和功能經(jīng)行了概述。TBM/TBS的設(shè)計(jì)必須要滿足ITER的功率需求，這些要求是不同的研制單位設(shè)計(jì)TBM的框架與基礎(chǔ)。各個(gè)國家或科研單位依據(jù)統(tǒng)一的TBM設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了自己的TBM。本文主要介

7、紹了各國TBM的概況，對于每一個(gè)TBM概述框架涵蓋了它的工程描述、中子學(xué)分析和熱工水力分析。工程描述主要包含了TBM的機(jī)械構(gòu)成和主要部件的運(yùn)作原理。介紹了TBM的第一壁（FW）、氚增殖區(qū)（TBZ）、中子倍增區(qū)（Multiplier）、屏蔽層（shielding）和其他框架結(jié)構(gòu)（Frame）。重點(diǎn)說明了第一壁、中子倍增區(qū)和氚增殖區(qū)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、幾何布置、冷卻劑管道的設(shè)計(jì)排布以及冷卻劑在TBM中的循環(huán)方式。也介紹了各部件的冷卻原理和其中的冷卻劑通道的幾何排布。對于固體氚增殖包層還介紹了凈化氣體（Pruge gas）管道的布置和作用。對于液態(tài)金屬氚增殖包層也介紹了液態(tài)金屬的作用和流動(dòng)循環(huán)方式。其次，本

8、文介紹了不同TBM的中子學(xué)分析和相關(guān)內(nèi)容。主要介紹了針對不同TBM所建立的中子學(xué)模型以及所使用的模擬軟件和相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。同時(shí)也對TBM的熱工水力學(xué)分析進(jìn)行了介紹。與中子學(xué)類似，大致介紹了熱工水力分析所建立的模型、分析軟件。最后對溫度或壓力模擬的結(jié)果經(jīng)行了簡要地分析。 最后本文對不同TBM的特點(diǎn)和差異作了總結(jié)。主要說明了不同TBM的統(tǒng)一設(shè)計(jì)原理、作用和必要的組成結(jié)構(gòu)。分析了部分TBM優(yōu)異的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其中很多優(yōu)異的設(shè)計(jì)特點(diǎn)對于未來TBM的設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)性的作用。2.1 HCPB (European Helium Cooled Pebble Bed) 2.1.0 HCPB概述研制單位：法國原子能委員

9、會（France CAE）氚增殖劑：陶瓷氚增殖劑（LiSiO/LiTiO）中子倍增劑：Be冷卻劑：He結(jié)構(gòu)材料：RAFM鋼 HCPB采用的是一種陶瓷包層，它是歐洲包層項(xiàng)目的兩個(gè)包層概念的其中之一。HCPB最顯著的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是使用了陶瓷增殖燃料和鈹倍增劑。它以一種平坦的燃料球床形式存在。其中球床被加固板分離，同時(shí)也被冷卻板冷卻。圖2.1.1 HCPB-TBM的局部示意圖在高溫高壓的條件下，氦冷卻劑在第一壁中流動(dòng)。其增殖區(qū)域被限定在很小的通道內(nèi)。當(dāng)冷卻劑流過球床后，帶走了氚增殖劑所產(chǎn)生的氚，并最終被氚收集系統(tǒng)所收集。從安全的角度分析，陶瓷氚增殖劑和鈹增殖劑的結(jié)合提高了HCPB的固有安全性。唯一的不足

10、是在高溫高壓的情況下鈹和水或鈹和氣體發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。表2.1.1 HCPB包層的主要設(shè)計(jì)第一壁熱通量0.5 MW/壁的中子負(fù)載2.4 MW/氦的進(jìn)出口溫度300/500 C氦冷卻劑的工作壓力8 MPa包層模塊壓力下降的估值0.403 MPa以下值的設(shè)計(jì)最大溫度：第一壁（鋼）冷卻板（鋼）陶瓷增值劑鈹552C547C920C650C氚增值比1.14HCPB包層設(shè)計(jì)基于以下要求： 陶瓷增殖劑和中子倍增劑以一種平坦的球床形式被冷卻板包含和冷卻，其中球床和冷卻板被包含在包層的第一壁中。 陶瓷球床是由鋁的正硅酸鹽或偏鈦酸鋁制成的統(tǒng)一尺度的球床。 一毫米的直徑是球床唯一的尺度。 結(jié)構(gòu)材料是RAFM鋼（Re

11、duced Activation Ferritic Martensitic steel） 面向等離子體的壁是由U形的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的，它同包層模塊的另外一側(cè)的壁共同構(gòu)成第一壁。氦通道包含在這種U形結(jié)構(gòu)中。氦氣以一種徑向-環(huán)向-徑向的形式流動(dòng)。 陶瓷增殖燃料被含有氦冷卻劑管道的冷卻劑板冷卻。 在8MPa的高壓下，包層模塊和包層結(jié)構(gòu)被氦冷卻。 在低壓（0.1MPa）下的分離凈化氣體系統(tǒng)帶走了增殖材料產(chǎn)生的氚。該系統(tǒng)也使氚的分壓足夠低，避免氚在主冷卻劑系統(tǒng)中的過量滲漏。圖2.1.2 三維的HCPB包層的分解示意圖2.1.1 HCPB工程描述 HCPB TBM是由以下幾個(gè)部分組成： 第一壁FW 蓋板Caps

12、 柵格Grid 增值區(qū)BU（Breeder Units） 背板和歧管/集合管Back Plate/ManifoldHCPB -TBM被安置于框架結(jié)構(gòu)的上半部分。極向方向和環(huán)向方向的尺寸分別是780mm和1310mm，徑向方向的最大尺寸是800mm。如果考慮到相鄰HCPB- TBM之間的20mm的間隔，每個(gè)HCPB- TBM的尺寸是740mm高1270mm寬。第一壁是沒有曲率的片面，考慮到第一壁的結(jié)構(gòu)，它的最小厚度是20mm。2mm厚的鈹層保護(hù)著HCPB- TBM第一壁。如果包含機(jī)械接觸在內(nèi)，HCPB- TBM的徑向尺寸大約為700mm。圖2.1.3 HCPB -TBM的結(jié)構(gòu)分解示意圖 HCPB

13、-TBM第一壁中，通道總數(shù)是14個(gè)（42個(gè)單一的通道），這些通道在彎曲板面兩頭的末梢截止，交界面處布有孔道。這些小孔被排成了兩排并分別對應(yīng)著出口集合管和入口歧管。管的出口端和入口端分別在板的兩端交替，結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖2.1.4 HCPB -TBM的FSW管道結(jié)構(gòu)示意圖40mm厚的模塊箱的上下兩面是由蓋板構(gòu)成。就像第一壁一樣,為了達(dá)到冷卻的目的，蓋板被很多冷卻管道所覆蓋。為了調(diào)控冷卻能力，蓋板被許多長度不一的冷卻管覆蓋，以便適應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的特殊功率。蓋板是有由兩個(gè)厚度相等的平板構(gòu)成。其中的冷卻管的極向方向截面是20mm，徑向方向的截面是10mm。蓋板焊接在FSW上，形成HCPB-TBM的上下兩個(gè)

14、面。圖2.1.5 蓋板上的冷卻劑通道示意圖柵格可以讓包層承受冷卻劑系統(tǒng)中的8Pa的壓力。氦氣流經(jīng)其內(nèi)部曲折的通道（如下圖所示），使得柵格得到充分冷卻。除了鋼片本身的熱量以外，它還帶走了增值模塊里的熱量。柵格所移走的熱量占總熱量的2030，所以它的冷卻能力是不可忽視的。圖2.1.6 柵格整體（左）和柵格上的冷卻劑通道（右） HCPB的增值模塊由四個(gè)容器和一個(gè)支撐板構(gòu)成，容器中填充有陶瓷增殖球（LiSiO/LiTiO）。容器的外表面和加固柵格之間被鈹球填充，BU是HCPB的重要部分，它直接決定了HCPB的很多性能，如TBR、熱效率（由He的最大出口溫度所決定）、熱力學(xué)性能和等。圖2.1.7 HCP

15、B的增殖模塊示意圖 圖2.1.8 BU冷卻板上的氦冷卻劑管道的排布示意圖背板位于TMB的尾部，起到機(jī)械加固作用的同時(shí)，也構(gòu)成了高壓歧管/集合管系統(tǒng)，該系統(tǒng)為TMB的各部分（FW、BU、蓋板、柵格）供給氦氣，背板也為低壓凈化系統(tǒng)（low pressure purge system）提供歧管/集合管。TBM的最尾部設(shè)計(jì)安裝的是接口系統(tǒng)（TMB port plug Interface System PP-IS）。PP-IS由以下幾個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：a. 機(jī)械固定系統(tǒng)(echanical attachment)；b. 管道連接系統(tǒng)(Pipe connections)；c. 接地系統(tǒng)(Grounding)；

16、d. 抓取系統(tǒng)(gripping system)。圖2.1.9 PP-IS的機(jī)械固定系統(tǒng)2.1.2 HCPB中子學(xué)分析 HCPB-TBM的中子學(xué)計(jì)算是由MCNP-4C完成的，其中的核截面數(shù)據(jù)來自FENDL-2 data 實(shí)驗(yàn)室。一個(gè)20度的圓環(huán)截面模型是計(jì)算的基礎(chǔ)。已經(jīng)計(jì)算出了HCPB-TBM 每個(gè)柵元中所產(chǎn)生的核功率。一個(gè)HCPB-TMB的總功率大約是0.67MW。圖2.1.10 嵌有HCPB-TMB的ITER MCNP模型的徑向-極向切面圖2.1.3 HCPB熱工水力學(xué)分析 包層里的冷卻劑流動(dòng)方案取源于 DEMO blanket。模擬對四分之一的TBM進(jìn)行了熱工水力學(xué)評估。熱分析和熱工水力

17、學(xué)分析 工具：ANSYS目標(biāo)：分析不同參數(shù)下的2D和3D TBM模型，計(jì)算溫度場和應(yīng)力場。 工具：RELAP/ATHENA codes目標(biāo)：模擬瞬態(tài)，整個(gè)He回路。 工具：STAR-CD目標(biāo)：3D流體力學(xué)計(jì)算，分析MFs和FW通道的流速、壓降和導(dǎo)熱系數(shù)。冷卻劑首先流過FW，然后平行地流過蓋板和柵格，最后流過增殖區(qū)。為了增加TBM的可控性和FW與BU的冷卻去耦效應(yīng)，冷卻劑在流過FW之后，流入BU之前，設(shè)置了一個(gè)冷卻劑的旁路。圖2.1.11 HCPB-TBM氦冷卻劑流動(dòng)方案圖2.1.12 HCPB-TMB FW中的冷卻劑管道實(shí)物圖（左），冷卻劑管道的橫截面（右） 在分析第一壁內(nèi)冷卻劑管道截面的溫度

18、時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，對于兩種不同的冷卻劑管道排布方式，來回循環(huán)的冷卻劑流動(dòng)方案比單一方向的冷卻劑流向設(shè)計(jì)地更加合理。如下圖所示，對于單一流向的冷卻劑管道內(nèi)，氦冷卻劑被加熱的部分只集中在等離子體一側(cè)。相比于前者，來回流向的冷卻劑管道內(nèi)氦的加熱區(qū)域除了等離子體受熱面以外，上下側(cè)區(qū)域也被加熱，增大了冷卻劑的受熱體積，提升了冷卻劑的冷卻效率，更加有利于FW/FSW的降溫。圖2.1.13 單一方向排布的冷卻劑管道截面（左）和交替排布的冷卻劑管道截面（右）的溫度分布圖2.2 HCLL (European Helium Cooled Lithium Lead Test Blanket Module )2.2.0 H

19、CLL概述研制單位：法國原子能委員會（France CAE）增殖劑：液態(tài)金屬（Pb-15. Li-7）冷卻劑：氦結(jié)構(gòu)材料：馬氏體鋼(EUROFER)HCLL-TBS(Test Blanket Systen)適用于真實(shí)聚變環(huán)境下的測試模型。要求可以在正?；蚱x正常的工況下具有轉(zhuǎn)移表面熱流能量的能力。HCLL-TBM主要包括第一壁、增殖區(qū)域、屏蔽層和結(jié)構(gòu)框架。HCLL-TBM被安置在ITER的赤道窗口內(nèi)并被凹嵌在真空室里。圖2.2.1 HCCL -TBM的三維示意圖表2.2.1 HCCL-TBS的各部件材料TBM結(jié)構(gòu)材料馬氏體鋼(EUROFER)第一壁保護(hù)層鈹層中子倍增區(qū)Pb-15. Li-7氚增

20、殖區(qū)Pb-15. Li-7管道不銹鋼冷卻劑氦PP（TBM Port Plug）結(jié)構(gòu)材料不銹鋼(AISI 316L)屏蔽材料不銹鋼(AISI 316L)管道不銹鋼(austenitic steel TBD)冷卻劑水IP(Interspace)結(jié)構(gòu)材料不銹鋼(austenitic steel TBD)HCLL-TBM主要有以下設(shè)計(jì)目標(biāo): 確保整個(gè)過程氚增殖的可能性，并可以外推出整個(gè)包層的外部尺寸； 為了產(chǎn)生足夠的電能，要確保產(chǎn)生和傳輸足夠的熱能； 具備實(shí)時(shí)的氚恢復(fù)能力和控制系統(tǒng)； 校驗(yàn)包括中子學(xué)、電磁學(xué)、熱傳輸和流體力學(xué)的設(shè)計(jì)工具和數(shù)據(jù)庫； 在不同負(fù)載的情況下，確保包層系統(tǒng)的整體性能； 在包層模塊

21、測試時(shí)，觀察可能的輻射效應(yīng)； 分析工具的校驗(yàn)。2.2.1 HCLL工程描述 HCLL-TBM的主要特點(diǎn)是它的包層是由水平方向的矩形截面的通道所冷卻，TBM由冷卻過的柵格構(gòu)成，柵格起到了加固包層的作用，以便當(dāng)TBM發(fā)生冷卻劑泄漏事故時(shí)可以承受冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的8MPa壓強(qiáng)。增殖劑Pb-Li在柵格所形成的徑向腔室里流動(dòng)。每一個(gè)腔室里會嵌入一個(gè)增殖劑冷卻單元BU（breeder cooling unit），用以確保增殖劑的溫度保持在正常的范圍內(nèi)。每一個(gè)BU包含五個(gè)徑向-環(huán)向的板CPs（Cooling Plates），冷卻板是由其內(nèi)部的雙U形管冷卻，并焊接到BU的背側(cè)。位于BU背板后側(cè)的兩個(gè)BU收集器

22、（BU collectors）的作用是分配和收集冷卻板里的氦。圖2.2.2 HCLL-TBM的徑向-極向截面示意圖（上半部） 氦冷卻劑循環(huán)的初始溫度是300度，而后冷卻劑會平行地流過FW并帶走表面所沉積的熱能和增殖區(qū)所產(chǎn)生的一小部分能量，之后氦流過冷卻板，帶走由增殖區(qū)所產(chǎn)生的大部分能量，最后流出出口時(shí)的溫度是500度。為了提高PbLi液態(tài)金屬的流動(dòng)速度從而達(dá)到較高的循環(huán)效率，同時(shí)又要避免液態(tài)金屬流動(dòng)地過快，所以在整個(gè)包層的冷卻劑循環(huán)方案的設(shè)計(jì)上，采用的是一種平行直線的回路設(shè)計(jì)而不是曲折的設(shè)計(jì)。液態(tài)金屬首先從外部的歧管流入。為了使液態(tài)金屬到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定且適中的速度，液態(tài)金屬會經(jīng)過BU背部的流速分配

23、箱。當(dāng)液態(tài)金屬流過BU后，通過一個(gè)總管從BU中流出。PbLi液態(tài)金屬的排放口安置于TBM的底部，同時(shí)在整個(gè)液態(tài)金屬循環(huán)系統(tǒng)里，液態(tài)金屬收集箱也被安置在TBM的水平位置以下，這是一種非能動(dòng)的流動(dòng)設(shè)計(jì)。這意味著在人為主動(dòng)的方法（active method）無法工作時(shí)（比如從上端注入惰性氣體），液態(tài)金屬僅僅依靠重力就可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)，這樣的設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的固有安全性。圖2.2.3 HCLL-TBM PbLi液態(tài)金屬流動(dòng)示意圖2.2.2 HCLL中子學(xué)分析 HCLL-TBM的中子學(xué)分析使用的是由MCNP軟件，采用的是FEND2.0核數(shù)據(jù)庫。三維ITER的MCNP模型和比較精確的TBM模型已經(jīng)建立。 模型被

24、安置在ITER赤道窗口的位置。在赤道窗口周圍，TBM由一定厚度的鋼和水包圍。模型中的中子通量和質(zhì)子通量也被計(jì)算得出。圖2.2.4 三維反應(yīng)堆模型極向-徑向方向截面示意圖2.2.3 HCLL熱工水力學(xué)分析 對于FW和增殖區(qū)的熱工水力分析采用的是有限元分析方法和簡化的熱工水力學(xué)球估算的方法（thermal hydraulic global estimations）。圖2.2.5 HCLL-TBM的有限元模型（紅色區(qū)域：FW，藍(lán)色區(qū)域；冷卻板CP；黃色區(qū)域；PbLi液態(tài)金屬） 圖2.2.6 HCLL-TMB的冷卻板的溫度模擬圖2.2.7 第一壁的溫度分布（面向等離子體一側(cè)）在TBM內(nèi)部的子系統(tǒng)中和外

25、面的循環(huán)系統(tǒng)中，液態(tài)金屬的每一部分的壓降也得到了估算。在增殖區(qū)的液態(tài)金屬產(chǎn)生壓降的原因之一是管壁表面的摩擦，它是由管壁表面的光滑度和流體的速度決定的。還有一個(gè)原因是當(dāng)在一定溫度下由于流體的加速而產(chǎn)生了體積的變形，從而產(chǎn)生了一定的壓降。圖2.2.8 增殖區(qū)內(nèi)的液態(tài)金屬流動(dòng)壓降示意圖2.3 HCSB (U.S. Helium-Cooled Solid Breeder)2.3.0 HCSB概述 研制單位：加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)氚增殖劑：鋰的陶瓷球（LiSiO）中子倍增劑：鈹 冷卻劑：氦結(jié)構(gòu)材料：F82H、鐵素體剛美國選用了氦冷固體增殖、鐵素體剛和鈹中子增殖劑所構(gòu)成的包層概念做為ITER

26、 TMB的測試增殖包層。鋰的陶瓷球作為增值材料是這種概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。圖2.3.1 HCSB-TBM示意圖 在子模塊的設(shè)計(jì)中，增殖區(qū)域安置在鐵素體鋼U型的FW結(jié)構(gòu)箱中，表面的FW厚度是28mm。其平均表面熱流為0.3MW/。HCSB-TBM的FW和FSW中子負(fù)載是0.78MW/，HCSS的FW設(shè)計(jì)成可以傳輸0.307的總沉積熱的結(jié)構(gòu)。在模塊中，有兩種設(shè)計(jì)裝置被安置在FW結(jié)構(gòu)箱的后面。一種設(shè)計(jì)是鈹和增值床被垂直地安置于等離子區(qū)域的方向上，另外一種布局格式是增值區(qū)域平行與等離子體區(qū)域。 圖2.3.2 四分之一窗口的子模塊2.2.2 HCSB工程描述 HCSB-TBM的表面熱負(fù)載是0.53MW/，為了

27、確保較高的熱傳輸效率，冷卻劑就要求有很高的傳輸速度。通過把五個(gè)冷卻劑通道組合在一個(gè)結(jié)構(gòu)中可以降低冷卻劑的流通面積，從而增大冷卻劑的流速。圖2.3.3 FW的截面示意圖（上），五個(gè)冷卻劑管道的局部示意圖（下）當(dāng)采用低溫運(yùn)行設(shè)計(jì)的情況下，氦冷卻劑首先流過增殖區(qū)域的通道，然后再進(jìn)入第一壁，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)的主要目的就是使增殖區(qū)域保持在一個(gè)較低的溫度下。當(dāng)采用高溫運(yùn)行設(shè)計(jì)的情況下，情況就會反過來，冷卻第一壁結(jié)構(gòu)就成為了首要任務(wù)。因?yàn)檫^高的冷卻劑流速會使出口端的冷卻劑溫度變低，所以當(dāng)冷卻劑流出增值區(qū)和流入FW之間時(shí)，大約有10%的冷卻劑會通過旁路流出。剩下的冷卻劑會流入四條通道，從而冷卻上下兩個(gè)面的蓋板和兩

28、個(gè)增殖設(shè)備，圖2.3.4 低溫時(shí)中子學(xué)計(jì)算模塊（左），反應(yīng)堆溫度下的熱力學(xué)計(jì)算模塊（右）氦冷卻劑在分層的設(shè)備排布中主要是環(huán)向流，而在側(cè)位的裝置里則大部分是徑向流。在側(cè)位，增殖區(qū)的氦冷卻劑被分成兩條支流，一條流入較遠(yuǎn)的左邊子單元再進(jìn)入增殖區(qū)，另一條則是從右側(cè)進(jìn)入，兩條通道都是徑向地排布在前段，然后再轉(zhuǎn)彎流回歧管。每條冷卻劑在通過增值區(qū)域的冷管后會流入下一個(gè)管，直達(dá)它流入最后一個(gè)增值區(qū)域，最終在出口通道里匯流并通過出口集合管。在增殖區(qū)側(cè)位裝置上存在著兩種溫度梯度（徑向和環(huán)向），在增值區(qū)的分層設(shè)備中主要是徑向溫度梯度。增殖球床上的這種二維溫度梯度最終會影響到TBR。圖2.3.5 側(cè)位裝置的冷卻劑集合

29、管設(shè)計(jì)（左），分層裝置的冷卻劑集合管設(shè)計(jì)（右）2.3.2 HCSB中子學(xué)分析 計(jì)算結(jié)果可由基準(zhǔn)測試程序和校正過的數(shù)值代碼或采用分析方法計(jì)算得出。（ITER test results can be used to benchmark/calibrate any numericalcodes or analytical methods）。為了提高復(fù)雜情況下代碼的最大可信度，該設(shè)計(jì)的重要準(zhǔn)則是高階的偏微分方程可以滿足幾何尺寸的要求。圖2.3.6 HCSB的中子學(xué)計(jì)算模型2.3.3 HCSB熱工水力學(xué)分析 分析的對象是一個(gè)整體包層模塊的子模塊，其中包含了五條冷卻劑通道。為了第一壁在熱傳輸時(shí)計(jì)算準(zhǔn)確性和

30、瞬態(tài)分析下計(jì)算的方便，這個(gè)模型在第一壁表面采用了10個(gè)四邊形的單元，沿著模型外側(cè)的周長的橫截面是一個(gè)常數(shù)。電腦計(jì)算總的單元是280,570個(gè)。圖2.3.7 HCSB-TBM第一壁的模型分析結(jié)果：1） 符合設(shè)計(jì)要求：固態(tài)氚增殖劑和鈹球床的計(jì)算溫度低于固態(tài)增殖球床典型的運(yùn)行溫度限值850和鈹球床的限值600。2） 溫度最大最小值的位置：最高溫度是790.76，位于模型的固態(tài)增值球床（靠近第一壁處）左半邊（側(cè)立結(jié)構(gòu)）。最低溫度為325.125，位于第一壁側(cè)面結(jié)構(gòu)和第一壁內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)上。3） 兩種溫度梯度：層式結(jié)構(gòu)的增殖球床的溫度梯度主要在徑向。而在側(cè)立結(jié)構(gòu)中，徑向和環(huán)向都有溫度梯度。二維的溫度梯度將影響

31、固態(tài)增值球床的熱力性能。圖2.3.8 HCSB-TBM增值區(qū)域的溫度模擬2.4 DCLL ( DUAL COOLANT Pb-17Li TEST BLANKET MODULE)2.4.0 DCLL概述研制單位：通用原子能公司（General Atomics）；加利福尼亞州立大學(xué)（University of California）；橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）；美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）；阿拉莫斯科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（Los Alamos National Laboratory）等。氚增殖劑：自冷液態(tài)增殖

32、劑（Pb-17Li）冷卻劑：氦結(jié)構(gòu)材料：鐵素體剛對于DCLL的液體增殖劑的設(shè)計(jì)，采用的是低活化的鐵素體剛作為為結(jié)構(gòu)材料，第一壁和包層材料的冷卻劑選用的是氦，選用Pb-17Li作為自冷液態(tài)增殖劑（self-cooled liquid breeder），兩個(gè)TBM被安置在一個(gè)水冷的框架中。這個(gè)系統(tǒng)也被設(shè)計(jì)成可以承受來自冷卻劑系統(tǒng)的壓力，以防止氦泄漏到鉛鋰液態(tài)金屬的腔室中。在很多模塊的設(shè)計(jì)上，采用了最大的簡化設(shè)計(jì)，降低了制作工藝的要求。圖2.4.2 DCLL TBM結(jié)構(gòu)示意圖2.4.1 DCLL工程描述 DCLL-TBM第一壁設(shè)計(jì)要保證模塊可以承受來自等離子體真空室的熱流并確保TBM結(jié)構(gòu)材料不會超過

33、溫度極限。在第一壁面向等離子體的部件（plasma facing component PFC）采用了2mm厚的鈹層。DCLL-TBM的FW是由鐵素體鋼構(gòu)成的一種U形結(jié)構(gòu)，多通道的冷卻劑通道設(shè)計(jì)在其中，以便最大可能的載走熱量。每一個(gè)FW都含有80個(gè)20mm寬19.25mm深的冷卻劑矩形通道。氦流在FW和FSW之間循環(huán)，在每個(gè)循環(huán)之間，冷卻劑氦都會流過流量整理器（flow arrangement），這使得冷卻劑每次都是以統(tǒng)一的溫度到達(dá)FW表面。TBM FW設(shè)計(jì)成含有兩條冷卻劑回路的結(jié)構(gòu),一條的通道端口是在FW背側(cè)邊緣的面上，它們直接與外部背板的集合管連接。第二條回路的通道端口在FW內(nèi)側(cè)的面上，這種

34、設(shè)計(jì)分隔了氦冷卻劑，同時(shí)也簡化了TBM的制作工藝。圖2.4.3 DCLL-TBM FW的示意圖上下側(cè)的蓋板在形狀上基本相似的，表面都布有徑向的冷卻劑通道，以使部件充分冷卻并保持在一個(gè)合適的溫度范圍。氦冷卻劑首先從背部的歧管流入，之后在背板上的冷卻劑通道內(nèi)流動(dòng)，最后垂直地流入兩個(gè)柵格板的冷卻劑入口，對內(nèi)部的柵板提了供必要的冷卻劑流量。該設(shè)計(jì)簡化了制作工藝，如下圖所示。圖2.4.4 DCLL TBM上側(cè)蓋板示意圖在DCLL-TBM中，當(dāng)液態(tài)金屬由外部管道進(jìn)入TBM中時(shí)，會被分隔板分流，Pb-Li液態(tài)金屬在腔室的前部中向上流動(dòng)，然后在背部腔室中向下流動(dòng)。柵格除了起到了強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的作用以外，這里也起到了

35、分隔板的作用，在環(huán)向方向的寬度上DCLL-TBM柵格形成了三道冷卻劑通道。其內(nèi)部安置的氦冷卻劑通道會使柵格得到充分冷卻并帶走多余熱量。圖2.4.5 DCLL-TBM柵格示意圖圖2.4.6 DCLL TBM的液態(tài)金屬流動(dòng)方案 圖2.4.7 DCLL-TBM背板組件示意圖2.4.2 DCLL中子學(xué)分析對DCLL TBM的TBR，輻射損傷，核熱量（nuclear heating）和屏蔽等參數(shù)已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的中子學(xué)計(jì)算。DCLL TBM早期采用的是一維的中子學(xué)模型使用反復(fù)迭代的方法進(jìn)行分析。采用DANTSYS 3.0的ONEDANT模型離散縱坐標(biāo)粒子輸運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)算（The ONEDANT module

36、of the DANTSYS 3.0 discrete ordinates particle transport code system)，計(jì)算使用的是FENDL-2 nuclear data library數(shù)據(jù)庫。圖2.4.8 DCLL TBM各組件上產(chǎn)生的熱功率2.4.3 DCLL熱工水力學(xué)分析Thermo-hydraulic Analyses使用的是商業(yè)軟件FLUENT對TMB進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)的運(yùn)算。圖2.4.9 DCLL TBM第一壁的CFD溫度模擬結(jié)果 2.5 CHC (Russian Federation Ceramic Helium Cooled)2.5.1 CHC概述 研制單位

37、：N. A. Dollezhal Research and Development Institute of Power Engineering (NIKIET)氚增殖劑：Li4SiO4中子倍增劑：鈹冷卻劑：氦結(jié)構(gòu)材料：chromium ferritic-martensitic steel俄羅斯的TBM是由垂直分隔在支撐框架里的兩個(gè)子模塊構(gòu)成的。設(shè)計(jì)要完成兩個(gè)基本目標(biāo)。第一，所測試的含有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)包層的子模塊包層系統(tǒng)必須通過驗(yàn)證。第二，所有的子模塊都必須要有基本的ITER屏蔽功能。兩個(gè)被嵌在一個(gè)框架內(nèi)TBSM（Test Blanket Sub-Modules）和它們的屏蔽外殼都被固定在一個(gè)水冷的

38、框架里，這個(gè)框架被固定在真空室上以用來傳輸TBSM所產(chǎn)生的負(fù)載。圖2.5.1 含有兩個(gè)RF CHC-TBSM框架垂直方向截面圖圖2.5.2 RF CHC-TBSM的結(jié)構(gòu)分解圖實(shí)驗(yàn)包層系統(tǒng)必須要具有以下功能： 良好的氚增殖能力； 可以產(chǎn)生很高的熱量和相應(yīng)合適的冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)； 在真空室結(jié)構(gòu)材料里降低核反饋（nuclear responses）； 避免超導(dǎo)線圈和真空室受到過度的熱量和輻射損傷； 真空室的負(fù)載傳輸（loads transmitted）最小化，并使TMB和真空室的溫度產(chǎn)生去耦效應(yīng)。表2.5.1 RF CHC-TBSM的相關(guān)設(shè)計(jì)要求總功率 MW0.942主冷卻劑氦氦的總的質(zhì)量流率kg/s

39、1.8氦的壓強(qiáng) MPa8回路數(shù)（Number of circuits）1主冷卻劑中的氦壓降MPa0.086氦的入口/出口溫度C300/500最大期望溫度C 結(jié)構(gòu)材料中子增殖劑陶瓷增殖劑55060010002.5.1 CHC工程描述 TBZ是由五個(gè)中子增殖單元組成的系統(tǒng)，它們由特殊的組件連接，并固定在TBSM盒中。每一個(gè)氚增殖單元（TBE）都是由兩個(gè)同軸盤繞的管道組成(外面管道的尺寸是562mm，里面面管道的尺寸是382mm)，里面的管道填充的是氚增值材料，之間的環(huán)道是冷卻劑的流動(dòng)通道。為了移走所產(chǎn)生的氚，凈化氣體（purge-gas）會在增值劑中循環(huán)。冷卻劑和凈化氣體（purge-gas）在增

40、殖單元背板后的進(jìn)出口有集合管連接。圖2.5.3 CHC-TBM增殖模塊結(jié)構(gòu)示意圖圖2.5.4 CHC-TBM增殖模塊內(nèi)管道結(jié)構(gòu)示意圖第一壁是由兩個(gè)彎曲的鋼板所構(gòu)成，上面的鋼板需要制成含有25道的矩形截面冷卻劑通道的樣式，如下圖所示。然后再將兩個(gè)鋼板通過螺栓固定。這個(gè)安裝過程使用的是高溫等靜力壓制HIP（Hot Isostatic Pressing )的方法。 圖2.5.5 CHC-TBM FW結(jié)構(gòu)示意圖圖2.5.6 CHC-TBSM的背板示意圖2.5.2 CHC中子學(xué)分析輻射傳輸計(jì)算使用的是三維的MCNP-4A程序，不安全性和不確定性因素也被考慮進(jìn)來。對于模型的整個(gè)區(qū)域計(jì)算所得到的計(jì)算誤差是2

41、-6 %。圖2.5.7 CHC-TBM的中子學(xué)計(jì)算模型2.5.3 CHC熱工水力學(xué)分析對模型的熱工水力分析采用的是“Inductive-I” 運(yùn)行模型。從瞬態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)FW的最高溫度（607度）在FW下側(cè)的轉(zhuǎn)彎處附近。圖5.2.8 CHC-TBSM的溫度模擬計(jì)算示意圖2.6 HCSB (Japan Helium Cooled Solid Breeder)2.6.0 HCSB概述氚增殖劑：鋰的陶瓷材料（）中子倍增劑：Ti 或 BeTi合金冷卻劑：氦結(jié)構(gòu)材料：F82H、馬氏體鋼在本部分介紹了JP-HCSB（氦冷固態(tài)增殖包層）設(shè)計(jì)、性能分析和研究與發(fā)展的情況等。管外增殖劑BOT（breede ro

42、ut of tube）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念被運(yùn)用到的增殖劑球床中和鈹中子增殖劑球床中。氦冷卻劑的溫度是300/500度，壓力是8MPa。該設(shè)計(jì)展現(xiàn)了良好的熱工水力學(xué)特性，也滿足了各部分的材料溫度限值，同時(shí)也沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的壓力下降的情況。 包層部件單位HCSB結(jié)構(gòu)材料F82H冷卻劑氦氣中子增殖區(qū)主要材料鈹溫度限制600先進(jìn)的材料（Advanced）Ti 或 BeTi合金氚增殖區(qū)主要材料溫度限制900候補(bǔ)材料（Backup）鋰的陶瓷材料第一壁面積1.49 0.91TBM厚度m0.6表面熱流MW/0.3壁的中子載荷MW/0.78總沉積熱MW1.61總的氚產(chǎn)量g/FPD0.180冷卻劑壓強(qiáng)MPa8.0冷卻劑

43、入口溫度300.0冷卻劑出口溫度500.0冷卻劑流率kg/s1.80冷卻劑旁路流率kg/s0.51表2.6.1 HCSB的主要工程參數(shù)2.6.1 HCSB工程描述日本的固體增殖TBM的設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)： 第一壁和側(cè)壁通過高溫等靜力壓制工藝（Hot Isostatic Pressing ，HIP）使用馬氏體鋼制成的。 為了降低等離子體擾動(dòng)的電磁效應(yīng)和冷卻劑泄露而造成的壓力升高的影響，該設(shè)計(jì)采用了垂直的插槽設(shè)計(jì)，這使得包層模塊被分割成幾個(gè)子模塊。子模塊被焊接在背板上。 HCSB-TBM的旁路流的作用是用來調(diào)整在DEMO的相關(guān)工況下TBM的運(yùn)行溫度的。旁路流首先被熱交換器變成統(tǒng)一的溫度，然后再在出口

44、處合流。另外每一個(gè)子模塊的歧管之間也是相互獨(dú)立的，這種設(shè)計(jì)可以允許測試不同概念的子模塊。 氚增殖區(qū)和中子增殖區(qū)被安置在層狀的球床中，他們由含有冷卻劑通道的隔板隔。圖2.6.2 HCSB-TBM 不同截面示意圖（為什么增殖區(qū)越靠后越厚）圖2.6.3 Purge gas（左）和冷卻劑（右）的HCSB-TBM流動(dòng)方案2.6.2 HCSB中子學(xué)分析采用一維中子學(xué)分析，運(yùn)用的是離散縱坐標(biāo)程序DOT3.5，使用的是FUSION-40實(shí)驗(yàn)室的中子截面庫。圖2.6.4 HCSB-TBM的中子學(xué)模型2.6.3 HCSB熱工水力學(xué)分析采用的是二維熱工水力分析，使用的是TCWS軟件。從圖中可以觀察到在冷卻劑管道周圍

45、的溫度相對比較低。相比中子增殖區(qū)，氚增殖區(qū)產(chǎn)生了TBM中的絕大部分熱量，而且位于等離子體較近的氚增殖區(qū)產(chǎn)生的熱量又是所有氚增殖區(qū)里最多的，所以前段的冷卻管設(shè)置比背部稠密的多。圖2.6.5 HCSB-TBM溫度模擬，400S（上），1000S（下）總結(jié) 根據(jù)不同的氚增殖劑種類、中子倍增劑的材料、冷卻劑流動(dòng)方案和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，每個(gè)TBM設(shè)計(jì)方都提出了各自的設(shè)計(jì)方案。不同的TBM設(shè)計(jì)方案都有其各自的特點(diǎn)，但是為了滿足TBM的基本要求，不同的TBM基本上都是有以下幾個(gè)主要分構(gòu)成：第一壁FW、柵格Grid、增值區(qū)BU、背板和歧管Back Plate/Manifold。為了降低了制作工藝的要求，在很

46、多模塊的設(shè)計(jì)上，采用了最大的簡化設(shè)計(jì)（如DCLL的最大特點(diǎn)是簡化了制作工藝）。第一壁是TBM的主要組成部件之一 ，他的第一層多采用了很薄的鈹層。它也是系統(tǒng)中溫度較高的部位，所以有關(guān)第一壁冷卻的方式顯得尤為重要。對于兩種不同的第一壁中冷卻劑管道排布方案，來回循環(huán)的冷卻劑流動(dòng)方案比單一方向的冷卻劑流動(dòng)方案更加合理。在本報(bào)告中所論述的所有TBM都是采用了第一壁來回循環(huán)的冷卻劑流動(dòng)方案。因?yàn)閬砘亓飨虻睦鋮s劑管道內(nèi)氦的加熱區(qū)域除了等離子體受熱面以外，上下側(cè)區(qū)域也被加熱，增大了冷卻劑的受熱體積，提升了冷卻劑的冷卻效率，更加有利于FW/FSW的降溫。（如HCPB、DCLL、HCLL等）對于不同的TBM，絕大

47、部分冷卻劑都是由氦氣組成的。其中冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)的工作壓力一般都為8MPa。雖然各自的TBM冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)都有其各自的特點(diǎn)，但是其基本設(shè)計(jì)目的是一致的。為了讓TBM的每一個(gè)部分得到足夠的冷卻，幾乎所有的部件FW、BU、蓋板和柵格（有的也包含背板，如CHC ）內(nèi)部都設(shè)計(jì)了通有氦氣的冷卻劑通道，只是根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需求，每個(gè)結(jié)構(gòu)的冷卻劑通道的排布各有不同。為了確保較高的熱量傳輸效率，冷卻劑要求有很高的傳輸速度。而過高的冷卻劑流速會使出口端的冷卻劑溫度變低，減少了冷卻劑的利用效率，使得外部的熱功率轉(zhuǎn)化效率減少。所以冷卻劑要保持在一個(gè)合適的流速。為了控制冷卻劑的流量，大部分TBM都會設(shè)計(jì)一個(gè)冷卻劑旁路。 對于不同的柵格結(jié)構(gòu)，絕大部分都有以下兩個(gè)特點(diǎn)。第一，柵格的設(shè)計(jì)要具有合理的空間結(jié)構(gòu)，以便有合適的空間結(jié)構(gòu)將增殖區(qū)安置在其內(nèi)內(nèi)（對于固態(tài)增殖劑而言）。第二，不同的柵格結(jié)構(gòu)對TBM起到了加固的作用并且都要求當(dāng)TBM發(fā)生冷卻劑泄漏事故時(shí)可以承受來自冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的8MPa壓強(qiáng)（如DCLL，HCLL），以防止氦泄漏到鉛鋰液態(tài)金屬的腔室中（相對液態(tài)增殖劑而言）。 BU是TBM設(shè)計(jì)的重要部分，它直接決