脈沖聚變堆氚循環(huán)模型的研發(fā)與應(yīng)用.pdf

1、氘-氚聚變反應(yīng)達(dá)到點(diǎn)火條件所需的“聚變?nèi)胤e”最低，因而被認(rèn)為是最容易首先實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的聚變反應(yīng)。然而，1 GW的聚變功率每年將燃耗約55.6 kg氚，自然界的氚極為稀缺（約3.5 kg），難以利用，因而聚變堆氚供給成了聚變研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。外源生產(chǎn)氚不但價(jià)格昂貴且受政策管制，現(xiàn)有的聚變堆設(shè)計(jì)通常采用包層增殖的方式來(lái)產(chǎn)氚，通過(guò)氚循環(huán)系統(tǒng)來(lái)保證氚的穩(wěn)定加料與回收，但同時(shí)各個(gè)子系統(tǒng)不可避免地存在氚泄漏和滯留等問(wèn)題，以及盤(pán)存氚帶來(lái)的安全問(wèn)題。因

2、此，需要對(duì)氚循環(huán)進(jìn)行研究，研究的主要內(nèi)容應(yīng)包括:(1)氚自持，要求增殖氚應(yīng)既能滿足燃耗又能填補(bǔ)泄漏、滯留、衰變等損失，將決定整個(gè)聚變堆能否長(zhǎng)期運(yùn)行;(2)各子系統(tǒng)的氚盤(pán)存量，隨時(shí)間的變化關(guān)系將決定特定時(shí)刻的氚源項(xiàng)，影響事故狀態(tài)下的安全問(wèn)題;(3)最小初始投料量，決定氚的初始投資成本，影響聚變堆的經(jīng)濟(jì)性。世界各國(guó)在穩(wěn)態(tài)聚變堆氚循環(huán)分析方面已較為成熟，但對(duì)脈沖聚變堆的氚循環(huán)分析重視不夠。而脈沖運(yùn)行是聚變堆實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行前必要的探索階段，因此研

3、究脈沖聚變堆的氚循環(huán)比穩(wěn)態(tài)聚變堆氚循環(huán)研究更加緊迫。為了探明脈沖運(yùn)行模式對(duì)氚循環(huán)分析造成的具體影響，開(kāi)發(fā)一種可用于脈沖模式的動(dòng)態(tài)氚循環(huán)模型顯得尤為重要。
　　本文依據(jù)國(guó)際上氚循環(huán)模型研究的最新進(jìn)展及經(jīng)驗(yàn)，參考ITER氚循環(huán)設(shè)計(jì)，增加聚變?cè)鲋嘲鼘拥脑鲋抄h(huán)節(jié)，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法構(gòu)建了氚循環(huán)研究模型。本模型能夠分析脈沖/穩(wěn)態(tài)兩種運(yùn)行模式，既能模擬短時(shí)間尺度（秒/分/時(shí)）下各個(gè)子系統(tǒng)氚盤(pán)存量的精細(xì)漲落，又能分析長(zhǎng)時(shí)間尺度（年）下氚循環(huán)的自

4、持狀態(tài)，給出聚變堆所需的最小初始氚投料量。本模型分別與TAS1.0、TRIMO開(kāi)展了穩(wěn)態(tài)、脈沖運(yùn)行狀態(tài)的校驗(yàn)工作，結(jié)果表明，兩種運(yùn)行狀態(tài)下本模型均具有良好的可用性和準(zhǔn)確度。隨后，根據(jù)氚自持的主要影響因素，得了到用于氚自持/敏感性分析的簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析模型。
　　本文選取典型脈沖聚變堆設(shè)計(jì)參數(shù)作為模型輸入，對(duì)脈沖/穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方案各氚循環(huán)子系統(tǒng)的盤(pán)存量、最小初始投料量和包層所需氚增殖率開(kāi)展模擬研究，得到了不同脈沖長(zhǎng)度(燃燒時(shí)間:450

5、s，3000s;等待時(shí)間:450s/1350s，3000s/9000s)燃燒方案下子系統(tǒng)氚盤(pán)存量隨時(shí)間變化的精細(xì)曲線。同時(shí)分析得出，(1)燃燒方案的選取將影響第一壁清洗策略;(2)脈沖方案比穩(wěn)態(tài)方案所需的最小初始投料量略小;(3)包層所需氚增殖率大小與燃燒方案基本無(wú)關(guān)。其次，以TBRreq/最小初始投料量為因變量，采用簡(jiǎn)化模型對(duì)氚自持影響因素進(jìn)行了敏感性分析。結(jié)果顯示，燃燒可用度、燃燒份額和系統(tǒng)飽和滯留量是TBRreq最關(guān)鍵的影響因素;