發布時間：2021-11-18所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：中國聚變工程實驗堆(ChinaFusionEngineeringTestReactor，簡稱 CFETR)的主要目標之一是實現氚自持。采用氚平衡法對 CFETR不同運行工況下的氚自持條件進行了分析評估。結果表明：在500 MW 運行階段，CFETR實現氚自持所需的最小氚增殖比(TBRr)為1.098，小 于 CFETR
摘要：中國聚變工程實驗堆(ChinaFusionEngineeringTestReactor，簡稱 CFETR)的主要目標之一是實現氚自持。采用氚平衡法對 CFETR不同運行工況下的氚自持條件進行了分析評估。結果表明：在500 MW 運行階段，CFETR實現氚自持所需的最小氚增殖比(TBRr)為1.098，小 于 CFETR 增殖包層可達到的氚增殖比(TBRa)，即在理論上滿足氚自持條件。在此基礎上，提出了 CFETR未來通過定期的氚衡算來驗證氚自持的基本策略。在基準輸入參數和氚存量測量精度限制(1%)條件下，CFETR氚自持驗證實驗的運行周期需要大于22d(氦冷包層)或87d(水冷包層)。
關鍵詞：CFETR;氚自持;氚增殖比;驗證策略
根據中國磁約束核聚變能發展技術路線圖，我國將在2030～2040年建成并運行中國聚變工程實驗堆(ChinaFusionEngineeringTestReactor，簡稱 CFETR)[1]。CFETR定位于填補國際熱核實驗堆(ITER)和聚變示范堆(DEMO)之間的空白，其主要目標包括：(1)實現200～1500 MW 聚變功率輸出;(2)實現穩態或長脈沖等離子體運行，運行因子達到0.3～0.5;(3)實現氚燃料自持，氚增殖比(TBR)大于1.0。
氚自持是聚變能源商業應用的基本 前 提，能否實現或如何實現氚自持一直以來都是聚變研究領域的熱點問題之一。關于 CFETR 的氚自持問題，目前已有一些研究工作見諸文獻報道[2-7]。這些研究 均 采 用 了 類 似 Abdou等[8-9]的 平 均 停 留時間法進 行 燃 料 循 環 建 模 和 氚 自 持 分 析，但 是不同作者給出的 分 析 模 型 存 在“繁”與“簡”的 區別。從氚 自 持 分 析 角 度 出 發，燃料循環分析模型并非越 精 細 越 好，因為越精細的模型需要的輸入參數 越 多，而輸入參數的確定在現階段往往是比 較 困 難 的。也 正 因 為 如 此，不 同 作 者 在氚自持分 析 中 給 定 的 基 準 輸 入 參 數，如 平 均 停留時間、非放射性 損 失 率 或 回 收 率 等，往 往 存 在比較大的 區 別，從而導致了計算結果的不一致性。此外，現有研究工 作 均 未 探 討 CFETR 將 來如何驗證氚自持的問題。
除了經典的平均停留時間法外，Nishikawa[10]采用的氚平衡法也是分析氚自持問題的一種簡單有 效 的 方 法。 本 研 究 擬 采 用 氚 平 衡 法 分 析CFETR的氚自持問題，結合 CFETR設計研究進展，評估 CFETR 實現氚自持所需的最小氚增殖比(TBRr)，并在此基礎上探討 CFETR 將來在實際運行中驗證氚自持的基本策略。
1 分析方法
根據定義，聚變堆實現氚自持的條件如式(1)[8]。
TBRa ≥ TBRr (1)
式中：TBRa，聚變堆增殖包層可達到的氚增殖比;TBRr，聚變堆燃料循環所需要的最小氚增殖比。
TBRr 的基本內涵包括：(1)補充氚在等離子體中的燃耗;(2)彌補氚的衰變損失;(3)彌補氚在處理過程中的非放射性損失，如氚在材料和系統中的滯留、滲 透、泄 漏 等;(4)為 聚 變 堆 的 運 行積累備用氚;(5)為下一個聚變堆的啟動積累首爐氚。CFETR作為第一個演示和驗證氚自持的聚變工程實驗堆，可暫不考慮積累備用氚和為下一個 聚 變 堆 積 累 首 爐 氚 的 問 題。于 是，CFETR的氚平衡條件可表示為式(2)。
2 結果與討論
2.1 輸入參數
本工作中 CFETR氚自持分析相關輸入參數的基準值和部分參數的參考值列入表1。下面對這些輸入參數進行簡要的說明或討論。
(1)物理運行參數(Pf、β、AF)
根據 CFETR 科學目標和分期實驗計劃，CFETR將在中等運行參數(400～500 MW)階段探索并實現氚自持[11]。在中等運行參數階段，將燃燒率做到1%的水平是比較有把握的。到了高運行參數(1.5GW)階 段，燃燒率有可能提高到3%甚至以上。因此，分別取聚變功率Pf=0.5GW和氚燃燒率β=1%作為基準值。CFETR 的主要目標之一是運行因子(AF)達到0.3～0.5。考慮到 CFETR是一個 工 程 實 驗 堆，故保守取運行因子 AF=0.3作為基準值。
(2)真空室壁氚滯留率(δ)和氚滲透率(ε)
氚在真空室壁中的滯留率和滲透率可能是現階段最不 確 定 的 兩 個 參 數。Roth等[12]對ITER真空室壁的氚滯留量進行了評估，在全鎢(W)第一壁情況下，氚滯留量幾乎呈線性增加，氚滯留率約為0.0002～0.0003。由于 CFETR 也將采用全鎢第一壁，因此取氚滯留率δ=0.0003作為基準值。Katayama等[13]對 DEMO 工 況 下 等 離 子體驅動的氚滲透 速 率 進 行 了 評 估，在全鎢第一壁情況下，氚滲透至第一壁冷卻劑和偏濾器冷卻劑中的速 率 分 別 為 1.8g/d 和 1.6g/d。如 果 按 照3.4g/d的氚滲透速率進行反推，可得到氚在真空室壁中的滲透率與滯留率在同一個量級。為簡單起見，同樣取氚滲透率ε=0.0003作為基準值。
(3)燃料循環參數(τ1、τ2、ηFC)
燃料循 環 分 為 內 循 環 和 外 循 環。對 于 內 循環，氚處理 時 間 可 做 到2～6h[9]。CFETR 內 燃料循環系統采用了快循環方案[11]，預計80%的燃料可實現1h循環，剩余20%的 燃 料 可 實 現6h循 環，通過加權平均可得到總的 循環時間約為2h。但是出于保守考慮，仍然取內循環時間τ1=6h作為基準值。外循環氚處理時間與增殖包層的類型和氚提取回收的技術方案有關，一般比內循環時間要長。CFETR 將采用氦冷或水冷固態包層，這里取外循環氚處理時間τ2=24h作為基準值。
對于燃料 循 環 系 統 的 氚 回 收 率，ITER 要 求其達到0.99999以上[10]。就國內目前水平而言，要達到這個要求無疑是非常困難的。但是出于氚安全方面的考慮，這個要求又是必須達到的，否則無法 獲 得 許 可 證。 參 考 ITER 的 氚 排 放 標 準(1g/a)[14]，可推算出 CFETR的環境氚釋放率應控制在1×10-7水 平 以 下。按照目前的設計，氚安全 包 容 系 統 的 除 氚 因 子 為103，那 么 燃 料 循 環系統的氚回 收 率 需 達 到0.9999才 能 滿 足 環 境 氚釋放率的控制指標。由于 CFETR 的氚排放標準尚未明確，故取氚回收率ηFC=0.9999為基準值。
(4)包層氚提取率(ηBB)
在固態增殖包層中，氚的損失包括在 增 殖 劑材料和結構材料中的滯留，以及通過結構材料向包層冷卻劑中的滲透，其中后者是主要的損失源項。根據包層氚輸運分析，通過滲透進入包層冷卻劑中的氚大約占包層中增殖氚的0.1%～1%。參考 CFETR氚工廠系統設計[11]，取包層氚提取率ηBB=0.99作為基準值。
(5)備用氚存量(Ir)
備用氚存量主要是為商業聚變堆在燃料循環系統出現故障時可以不停堆維修而考慮的，對于CFETR這樣一個工程實 驗堆而言并非特別重要。當然，適當的備用氚存量對于提高 CFETR實驗運行的靈活性也是有好處的。由于目前鮮有關于 CFETR備用 氚 存 量 問 題 的 討 論，本 研 究 取備用氚存量Ir=500g作為基準值。
2.2 最小氚增殖比(TBRr)
由表1中給出的基準輸入參數，由式(14)計算得到 TBRr=1.098。需要指出的是，該計算結果并未考慮冷卻劑、氚安全包容系統以及真空室壁材料中的氚回收問題。之所以不考慮上述氚回收問題，是因 為 CFETR 的一個實驗運行周期可能比較短(比如幾周)，滲透至冷卻劑中的氚、泄漏至氚安全包容系統中的氚以及滯留在真空室壁材料中的氚可能來不及被有效回收。如果 CFETR的實驗運行周期足夠長，并且假設冷卻劑、氚安全包容系統以及真空室壁材料中的氚的回收率均為90%，那 么 可 計 算 得 到 不 同 氚 回 收 條 件 下 的TBRr，結果列 入 表 2。由 表 2 可 知，通 過 對 滲 透至冷卻劑中的氚、泄漏至氚安全包容系統中的氚以及滯留在真空室壁材料中的氚進行有效回收，可以顯著降低氚自持對 TBR 的要求。在理想情況下(表2中的條件 H)，最小氚增殖比 TBRr 可降低至1.025。
在 基 準 輸 入 參 數 的 基 礎 上，分 別 對 燃 燒 率(β)、聚變功率(Pf)、運行因子(AF)和內循環氚處理時間(τ1)進行了敏感性分析，結果示于圖1—4。
由 圖1 可 知，氚 燃 燒 率 對 TBRr 的 影 響 非常 大，氚 燃 燒 率 越 小，TBRr 越 大，這 個 趨 勢 在氚 燃 燒 率 小 于1%時 尤 為 顯 著。如 果 氚 燃 燒 率從1%提 高 到3%，那 么 TBRr 可 以 從1.098降低 至1.042。
本文來源于：《核化學與放射化學》Journal of Nuclear and Radiochemistry(雙月刊)1979年創刊，是中國核學會與放射化學學會主辦的學術刊物。辦刊宗旨是為核化學與放射化學科學技術領域提供一個學術交流、成果推廣的園地。本刊主要報道核化學與放射化學基礎研究、放化工藝研究、輻射化學、同位素化學及有關分離分析方法的科研成果，適當報道國內外核化學與放射化學的新成就和發展動態及重要會議消息等。
從圖2可知，聚 變 功 率 對 TBRr 的 影 響 趨 勢與氚燃燒率類似，但是遠不如氚燃燒率的影響顯著。當聚 變 功 率 分 別 為0.2、0.5、1.0和1.5GW 時，TBRr 分別為1.103、1.098、1.096和1.095。
由圖3可知：運行因 子 對 TBRr 的 影 響 較 為明顯，趨 勢 與 氚 燃 燒 率 和 聚 變 功 率 類 似。當 運行因子從0.3提 高 到0.5時，TBRr 從1.098降低至1.091。
由圖4可知，內 循 環 氚 處 理 時 間 對 TBRr 的影響幾乎是線性的，氚 處 理 時 間 越 長，TBRr 越大。當內循環氚 處 理 時 間 從6h縮 短 至2h時，TBRr 從1.098降低至1.089。與內循環相比，外循環氚處理時間對 TBRr 的影響可以忽略不計。盡管縮短氚處 理 時 間 對 TBRr 的 影 響 較 小(相 比于提高氚燃燒率)，但是氚處理時間對燃料循環系統的氚盤存量影響較大。當內循環氚處理時間從6h縮短至2h時，燃料循環系統中的動態氚盤存量從1969g降 低 至707g。因此從氚安全角度出發，仍然應盡可能地縮短氚處理時間。
綜合圖1—4可知，CFETR 實現氚 自 持 的 主要技術途徑是：首先盡可能提高氚燃燒率，其次盡可能提高運行因子和縮短內循環氚處理時間。如果 CFETR在500 MW 運行階段可將氚燃燒率提高到3%，同時將運行因 子 提 高 到0.5和 將 內循環氚處理 時 間 縮 短 至2h，那 么 TBRr 可 降 低至1.037。
根據 CFETR 增 殖 包 層 最 新 設 計 進 展，在 考慮了加熱和診斷窗口后，氦冷包層的 TBR可以達到1.14[15]，水冷包層的 TBR可以達到1.107[16]。因此無論采用哪種 包 層，氚 自 持 條 件 TBRa ≥ TBRr 都是可以滿足的。但這只是理論上的氚自持，未來 CFETR 能否真正實現氚自持必須通過CFETR的實際運行來進行驗證。
2.3 氚自持驗證策略
CFETR如何 驗 證 氚 自 持?顯 然，通 過 氚 自持條件 TBRa≥TBRr 來進行驗證是不切實際的，因為 TBRa 和 TBRr 的 真 實 值 均 無 法 直 接 測 量。CFETR 作 為 一 個 工 程 實 驗 堆，其 運 行 是 有 計 劃有周期的，因此可以通過定期的氚衡算來驗證氚自持。從氚存量測量的角度出發，一種比較切合實際的做法 是：在 CFETR 驗 證 氚 自 持 的 實 驗 運行周期前后，將燃料循環系統中的可回收的氚全部回收至氚儲 存 與 供 給 系 統(SDS)中，然 后 采 用量熱計 或 PVT-c法 測 量 SDS中 的 氚 存 量，最 后通過比較實驗運行周期前后的氚存量變化來判斷是否實現了氚自持。
采用上述方法驗證氚自持，首先需要 考 慮 氚存量 測 量 的 精 度 問 題。 目 前，采 用 量 熱 計 或PVT-c法測量氚存量的精度僅能達到 1% 的 水平[17]。這意味 著，如 果 SDS 中的氚存量增加或減少了1%，采用量熱計或 PVT-c法是測不出來或測不準的。換言之，只有測得SDS中氚存量的增量大于1%才能夠有力地說明 CFETR 實現了氚自持。
3 結 論
采用氚平衡法對 CFETR 的氚自持問題進行了分析，主要結論如下：
(1)在500MW 運行階段，CFETR實現氚自持所需的最小氚增殖比(TBRr)為1.098，小于包層中子學計算給出的氚增殖比(TBRa)，即在理論上滿足氚自持條件(TBRa≥TBRr)。
(2)CFETR 可通過定期的氚衡算來驗證氚自 持，在基準輸入參數和氚存量測量精度限制(1%)條件下，氚自持驗證實驗的運行周期需要大于22d(氦冷包層)或87d(水冷包層)。——論文作者：冉光明1，肖成建1，王和義1，汪小琳2，*
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