紧凑型聚变驱动次临界堆概念设计的初步研究

1、 ASIPP紧凑型聚变驱动次临界堆概念设计的初步研究陈美霞 吴斌等离子体物理研究所2007.8.10 ASIPP紧凑型聚变驱动次临界堆概念提出发电成本计算模型 紧凑型聚变驱动次临界堆的经济性分析 TSC程序对最优化点进行放电模拟 主要内容 ASIPP 聚变能研究和发展的目标是设计制造可靠、安全、高效与环境相容性好的大规模商业聚变电站。发展聚变电站，除其要有高的安全性和好的环保性外，其经济性一直是概念设计与工程设计阶段考虑的重要因素。目前评价聚变电站经济性好坏的指标通常是电站全寿期平准化发电成本（Levelized cost of electricity）,简称为发电成本（COE）。COE越低，

2、则表明其经济性越好，商业竞争力越强。对于磁约束聚变堆，COE的大小主要取决于聚变堆总建造成本（Total capital cost）、年固定费用率、年燃料成本、年运营与维护成本、年定期部件更换与更新成本、年研发成本、年退役成本、电站平均可用率与净电功率等因素。通常情况下，COE作为聚变堆芯重量、尺寸大小、聚变堆规模（如小半径、环径比、拉长比、净电功率）与年运行成本等的函数。在传统的托卡马克反应堆设计中，中心螺管的半径是由对等离子体电流爬升所要求的伏秒数加上额外的磁通量来确定的。而结构紧凑的聚变驱动次临界堆是一种新的概念设计，中心螺管(CS)尺寸较小，在稳态时通过非自感来驱动等离子体电流，具有较

3、小的环径比，可以获得较大的拉长比和较高的比压值。由于中心螺管尺寸较小，使得环向场线圈（TFC）也较小，从而可以减小反应堆的重量和结构成本。紧凑型聚变驱动次临界堆概念提出 ASIPP 本节简单介绍结构紧凑型聚变驱动次临界堆的成本计算模型。其成本主要是指发电成本（COE）、总投资成本（TCC）、年运行成本三项。发电成本COE的单位通常采用美厘/千瓦时(mill/kW.h)。COE取决于电站总投资成本、年运行成本及固定费用率、物价浮动率、电站规模（如小半径、环径比、拉长比、净电功率）与电站有效率因子等因素，本文中所使用的COE与这些因素的关系采用文献 10中的模型为： COE=106CAC+(CF+

4、CO&M+ CSCR )(1+y)Y+CD&D+ CR&D/24 （1）式中：CAC为年投资成本，CACTCC FCR，M$；TCC为总建造成本,M$; FCR为年固定费用率（摊销率）；CF为运行起始年的年燃料成本(Fueling)，M$； CO&M为运行起始年的年运营与维护成本(Operation and Maintenance)，M$；CSCR 为运行起始年的年定期部件更换与更新成本(Scheduled Component Replacement)，M$；CR&D为年开发便于小风险示范堆运行的信息与技术的时间与资源的投资（研发）成本（年研发费用）(Research and Developm

5、ent)，M$； CD&D为年净化与退役成本（Decontamination and Decommissioning），M$；y为物价浮动率，%/a ；Y为订货至交货周期，a；PE为电站输出净电功率，MW；pf为电站平均可用率又称为电站有效率因子(levelized)plant capacity factor at maximum power)。其中，年净化与退役成本与研发成本由下式确定： CjFCRjTDC (2)发电成本计算模型 ASIPP其中TDC为直接成本，jD&D、R&D。参照文献14和公式（1）得COE模型为： (3)式中 、 、 、 分别为作为直接成本TDC的间接成本、年运营与维

6、护成本、年部件定期重置与更新成本、年燃料成本的份额； UDC=TDC/PE (4) 直接成本TDC可以分为5个子系统的成本与应急费用之和。这5个子系统的成本分别为：土地成本与电站建筑与设施成本SITE、堆体成本FPC（Fusion Power Core）、主热交换系统成本PHT、辅助加热系统、电源、配电系统与能量存储系统成本HTG、电厂配套辅助系统成BOP（blance of plant）（等于发电（透平）厂设备成本（TPE）+电气厂设备成本（EPE）+其他厂设备成本（MPE）。每个子系统的单位成本分别记为：UCSITE，美元/W；UCFPC，美元/kg；UCPHT，美元/W；UCHTG，美元

7、/W；UCBOP，美元/W。每个子系统的应急费用因子分别记为：CONTSITE、CONTFPC、CONTPHT、CONTHTG、CONTBOP。令 （5）其中j表示上述5个子系统，得UDC表达式： 发电成本计算模型 ASIPP发电成本计算模型其中： 为电站热电转化效率因子； 为输入堆芯功率的转化效率。式（6）QE与堆芯功率增益QP（QP等于聚变功率与进入堆芯辅助加热功率之比）关系由下式确定： （7）其中 （8） MN是包层中能量增益因子， 为维持BOP的电功率占总电功率PET的份额。 TCC包括直接成本、间接成本和金融成本，其计算模型参考文献3。年运行成本包括CF、CO&M、CR&D、CD&D

8、、CSCR等，其计算模型及模型中所用参数意义与数值同参考文献3。结构紧凑的聚变驱动次临界堆包层中采用的材料主要有：RAFM钢、SiC、LiPb。（6）紧凑型聚变驱动次临界堆的经济性分析 利用聚变系统分析软件SYSCODE通过对聚变驱动次临界堆FDS中心螺管尺寸进行依次减小，在大、小半径分别不变情况下对其经济性进行了分析，分别找到最优化的设计点。结构紧凑型聚变驱动次临界堆在FDS-II堆大、小半径分别不变情况下而得到的堆芯等离子体设计参数下表所示： ASIPP大半径R=4m不变的经济性分析 小半径与总建造成本的关系小半径与聚变功率的关系小半径与聚变发电成本的关系环径比与聚变发电成本的关系 ASI

9、PP ASIPP小半径a1m不变的经济性分析大半径与聚变功率的关系 大半径与总建造成本的关系 大半径与中子壁负载的关系 大半径与聚变发电成本的关系 ASIPP 由以上分析可以看出，对于大半径R=4m不变的情况，系统分析表明小半径在1.45m到1.50m之间电价最优，最优的COE为20.514mill/kw.h , 此时环径比在2.76至2.67之间，聚变功率约160MW,中子壁负载约0.4MW/m-2。而对于小半径a=1m不变的情况下，系统分析表明大半径在4m时电价最优，最优的COE为21.794 mill/kw.h, 此时环径比为4，聚变功率约为150MW, 中子壁负载约0.5MW/m-2。

10、由这两种情况下的最优电价可以看出前者的设计优于后者，由此也可以看出低环径比的优越性。由此得出紧凑型聚变驱动次临界的最优设计点为前一设计点，在下一小节中我们将利用TSC程序对 该设计点进行数值模拟。小结：TSC程序对最优化点进行放电模拟 TSC程序简介 TSC(Tokamak Simulation Code)程序是PPPL开发的一个自由边界轴对称托卡马克等离子体随时间的演变以及和它相关控制系统的数值模拟程序，它通过在矩形计算网格上解磁流体方程组来模拟自由边界等离子体随时间的演变过程，MHD方程组通过边界条件和外部极向场线圈中的电流相互耦合，同时在磁面坐标中求解压强和密度面平均输运方程。程序考虑了

11、反常输运、新经典输运、辅助加热、电流驱动、 自举电流、 粒子加热等许多物理模型，可以用于模拟控制系统、辅助加热、电流驱动等问题。TSC已用于PBX、TFTR、DIIID等托卡马克的放电模拟及BPX、KSTAR、ITER等装置的设计工作，具有很高的可靠性。 ASIPP ASIPPTSC程序模拟结果及分析 基于以上的分析，我们利用TSC(Tokamak Simulation Code)以该最优化点为基础，对该紧凑型聚变驱动次临界堆进行了放电模拟。图9为等离子体电流随时间的演化，可以看出等离子体电流在9秒内由最初的500KA稳定线性上升到平顶6.25MA，然后维持平顶到31秒。同时等离子体大半径由5

12、.13m移到4.0m然后逐渐稳定下来；小半径从0.37m逐渐增加到1.5m然后稳定下来；拉长比从1.0逐渐增加到1.55，三角形变从0逐渐增加到0.45。模拟结果说明等离子体系统的控制系统稳定，结果对紧凑型巨变驱动次临界堆的建堆有一定的参考价值，从而使得我们有信心进行更为深入的放电模拟研究。 等离子体电流随时间的演化 ASIPPTSC程序模拟结果及分析等离子体大半径、小半径、拉长比、三角形变随时间的演化 ASIPPTSC程序模拟结果及分析 ASIPP总结： 本文利用聚变系统分析软件SYSCODE通过对该次临界堆中心螺管尺寸进行依次减小，在大、小半径分别不变情况下对其经济性进行了分析，分别找到最

13、优化的设计点。对于大半径R=4m不变的情况，系统分析表明小半径在1.45m到1.50m之间电价最优，最优的COE为20.514mill/kw.h , 此时环径比在2.76至2.67之间，聚变功率约160MW,中子壁负载约0.4MW/m-2。而对于小半径a=1m不变的情况下，系统分析表明大半径在4m时电价最优，最优的COE为21.794 mill/kw.h, 此时环径比为4，聚变功率约为150MW, 中子壁负载约0.5MW/m-2。由这两种情况下的最优电价可以看出前者的设计优于后者，由此也可以看出低环径比的优越性。同时利用TSC平衡演化程序对该设计点进行了等离子体平衡计算，并对等离子体电流、等离

14、子体大半径、等离子体小半径、等离子体拉长比、等离子体三角形变、等离子体约束时间等重要物理参数进行了数值模拟，结果表明了结构紧凑的聚变驱动次临界堆具有经济优势且先进可行。参考文献参考文献：1 A Conceptual Study of Commercial Fusion Power Plants,Final Report of the European Fusion Power Plant Conceptual Study(PPCS), EFDA-RP-RE-5.0,April 13,20052 Summary ITER Final Design Report R.G A0 FDR 2 01-1

15、2-19 W0.1,20013 黄德所, 吴宜灿，储德林等. 聚变驱动次临界堆经济性分析.J 核科学与工程, 2004,24(2): 184-192.4 张士杰,黄德所, 吴宜灿，具有双冷液态锂铅包层的聚变动力电站经济性初步分析. J 核科学与工程, 2005,25(2): 188-192.5 黄德所, 吴宜灿，胡丽琴. 基于最小化发电成本的聚变驱动次临界堆参数优化分析.J 核科学与工程, 2004,24(4): 356-365.6 黄德所. 聚变驱动次临界堆经济性研究D.合肥：中国科学院等离子体物理研究所,2006. 7 K.Tobita,et al,Concept of Compact L

16、ow Aspect Ratio Demo Rector,SlimCS, 21th IAEA Fusion Energy Conference,Chengdu,China,16-22,October 20068 S. Nishio, K. Ushigusa, Conceptual Design of Advanced Steady-State Tokamak Reactor, 18th IAEA Fusion Energy Conference, Sorrento, Italy, 4-10, October 20009 吴宜灿，柯严，郑善良等. 聚变驱动次临界堆概念设计研究, J,核科学与工程,

17、 2004,24(1):7280.10 黄德所, 吴宜灿，聚变电站中工程能量增益与质量功率密度对发电成本的影响.J 核科学与工程, 2004,24(2): 152-156.11 储德林，吴斌，吴宜灿等，聚变驱动次临界堆聚变堆芯参数设计与分析.J 核科学与工程, 2004,24(1): 81-86.12 Wu Bin. Introduction of fusion driven subcritical system plasma design,J. Fusion Engineering and Design, 2003,66-68:181-186.13 Chu Delin,Wu Bin, Wu Yican et al. Preliminary Analysi