包层调研报告

1、包层调研报告Report of Test Blanket Module 2014/10/28目录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中子学分析2.13 HCPB热工水力学分析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中子学分析2.23 HCLL热工水力学分析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中子学分析2.33 DCLL热工水力学分析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中子学分析2.43 HCCB热工水力学分析2.5 RF_CHC (Russian Federation Ceramic Helium Cooled)2.50 CHC概述2.51 CHC工程描述2.52 CHC中子学分析2.53 CHC热工水力学分析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中子学分析2.63 HCSB热工水力学分析3. 总结4. 参考资料1. 概述：ITER 测试包层工作小组TBWG（Test Blanket Working Group）要求ITER的每一个参与方都要参加TBM（Test Blanket Modules）项目并提供各自的包层设计报告DDD（design description document），本文主要介绍了当前国际上的部分国家TBM的设计概况。 ITER 最主要的目标之一就是测试和验证一个功率反

4、应堆的氚增殖包层的性能。这项测试对象就是TBM。ITER提供3个赤道窗口，编号分别为#16、#18、#2(1.75 m宽 2.2 m高)用以TBM测试，实验最多可以测试6个TBM。TBM测试的主要目标： 验证TBM结构的完整性; 氚增殖性能和实时地提氚与控制技术; 具有获取和传输高能热能的能力，提高热功率; 获得不同运行条件下的综合性能参数。图1.1 ITER-TBS（Test Blanket System）和赤道窗口示意图TBM/TBS的设计必须要满足ITER的功率需求，其主要设计要求包括： 最大聚变额定功率：0.5GW； 最大聚变能偏移（Maximum Fusion Power Excur

5、sions ）：20%； 偏移持续时间：10s； 脉冲持续时间：400s； 脉冲重复时间：1800s； 第一壁能移除最大约为0.5MW/表面热通量； TBS满足一定的TBR； 总的TBM热能：3MW； 最大的中子壁负载：0.78MW/。测试包层系统 TBS（Test Blanket System）主要由以下系统组成： 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 不同实验包层模块概念的基本特征TBM概念冷却剂氚增殖剂中子倍增剂结构材料代表各国氦冷/陶瓷氦冷锂陶瓷铍铁素体钢所有氦冷/锂铅氦冷/锂铅液态锂铅铅铁素体钢欧、美、中水冷/陶瓷水冷锂陶瓷铍铁素体钢日自冷/锂钒自冷/锂液态锂无钒基合金日、俄自冷/熔盐自冷/熔盐熔盐/FLiBe铍铁素体钢美（已放弃）本文简要地对不同种类TBM的、要求、结构和功能经行了概述。TBM/TBS的设计必须要满足ITER的功率需求，这些要求是不同的研制单位设计TBM的框架与基础。各个国家或科研单位依据统一的TBM设计要求设计了自己的TBM。本文主要介

7、绍了各国TBM的概况，对于每一个TBM概述框架涵盖了它的工程描述、中子学分析和热工水力分析。工程描述主要包含了TBM的机械构成和主要部件的运作原理。介绍了TBM的第一壁（FW）、氚增殖区（TBZ）、中子倍增区（Multiplier）、屏蔽层（shielding）和其他框架结构（Frame）。重点说明了第一壁、中子倍增区和氚增殖区的机械结构、几何布置、冷却剂管道的设计排布以及冷却剂在TBM中的循环方式。也介绍了各部件的冷却原理和其中的冷却剂通道的几何排布。对于固体氚增殖包层还介绍了净化气体（Pruge gas）管道的布置和作用。对于液态金属氚增殖包层也介绍了液态金属的作用和流动循环方式。其次，本

8、文介绍了不同TBM的中子学分析和相关内容。主要介绍了针对不同TBM所建立的中子学模型以及所使用的模拟软件和相应的数据库。同时也对TBM的热工水力学分析进行了介绍。与中子学类似，大致介绍了热工水力分析所建立的模型、分析软件。最后对温度或压力模拟的结果经行了简要地分析。 最后本文对不同TBM的特点和差异作了总结。主要说明了不同TBM的统一设计原理、作用和必要的组成结构。分析了部分TBM优异的设计特点，其中很多优异的设计特点对于未来TBM的设计起到了指导性的作用。2.1 HCPB (European Helium Cooled Pebble Bed) 2.1.0 HCPB概述研制单位：法国原子能委员

9、会（France CAE）氚增殖剂：陶瓷氚增殖剂（LiSiO/LiTiO）中子倍增剂：Be冷却剂：He结构材料：RAFM钢 HCPB采用的是一种陶瓷包层，它是欧洲包层项目的两个包层概念的其中之一。HCPB最显著的设计特点是使用了陶瓷增殖燃料和铍倍增剂。它以一种平坦的燃料球床形式存在。其中球床被加固板分离，同时也被冷却板冷却。图2.1.1 HCPB-TBM的局部示意图在高温高压的条件下，氦冷却剂在第一壁中流动。其增殖区域被限定在很小的通道内。当冷却剂流过球床后，带走了氚增殖剂所产生的氚，并最终被氚收集系统所收集。从安全的角度分析，陶瓷氚增殖剂和铍增殖剂的结合提高了HCPB的固有安全性。唯一的不足

10、是在高温高压的情况下铍和水或铍和气体发生反应产生氢气。表2.1.1 HCPB包层的主要设计第一壁热通量0.5 MW/壁的中子负载2.4 MW/氦的进出口温度300/500 C氦冷却剂的工作压力8 MPa包层模块压力下降的估值0.403 MPa以下值的设计最大温度：第一壁（钢）冷却板（钢）陶瓷增值剂铍552C547C920C650C氚增值比1.14HCPB包层设计基于以下要求： 陶瓷增殖剂和中子倍增剂以一种平坦的球床形式被冷却板包含和冷却，其中球床和冷却板被包含在包层的第一壁中。 陶瓷球床是由铝的正硅酸盐或偏钛酸铝制成的统一尺度的球床。 一毫米的直径是球床唯一的尺度。 结构材料是RAFM钢（Re

11、duced Activation Ferritic Martensitic steel） 面向等离子体的壁是由U形的结构构成的，它同包层模块的另外一侧的壁共同构成第一壁。氦通道包含在这种U形结构中。氦气以一种径向-环向-径向的形式流动。 陶瓷增殖燃料被含有氦冷却剂管道的冷却剂板冷却。 在8MPa的高压下，包层模块和包层结构被氦冷却。 在低压（0.1MPa）下的分离净化气体系统带走了增殖材料产生的氚。该系统也使氚的分压足够低，避免氚在主冷却剂系统中的过量渗漏。图2.1.2 三维的HCPB包层的分解示意图2.1.1 HCPB工程描述 HCPB TBM是由以下几个部分组成： 第一壁FW 盖板Caps

12、 栅格Grid 增值区BU（Breeder Units） 背板和歧管/集合管Back Plate/ManifoldHCPB -TBM被安置于框架结构的上半部分。极向方向和环向方向的尺寸分别是780mm和1310mm，径向方向的最大尺寸是800mm。如果考虑到相邻HCPB- TBM之间的20mm的间隔，每个HCPB- TBM的尺寸是740mm高1270mm宽。第一壁是没有曲率的片面，考虑到第一壁的结构，它的最小厚度是20mm。2mm厚的铍层保护着HCPB- TBM第一壁。如果包含机械接触在内，HCPB- TBM的径向尺寸大约为700mm。图2.1.3 HCPB -TBM的结构分解示意图 HCPB

13、-TBM第一壁中，通道总数是14个（42个单一的通道），这些通道在弯曲板面两头的末梢截止，交界面处布有孔道。这些小孔被排成了两排并分别对应着出口集合管和入口歧管。管的出口端和入口端分别在板的两端交替，结构如下图所示。图2.1.4 HCPB -TBM的FSW管道结构示意图40mm厚的模块箱的上下两面是由盖板构成。就像第一壁一样,为了达到冷却的目的，盖板被很多冷却管道所覆盖。为了调控冷却能力，盖板被许多长度不一的冷却管覆盖，以便适应系统产生的特殊功率。盖板是有由两个厚度相等的平板构成。其中的冷却管的极向方向截面是20mm，径向方向的截面是10mm。盖板焊接在FSW上，形成HCPB-TBM的上下两个

14、面。图2.1.5 盖板上的冷却剂通道示意图栅格可以让包层承受冷却剂系统中的8Pa的压力。氦气流经其内部曲折的通道（如下图所示），使得栅格得到充分冷却。除了钢片本身的热量以外，它还带走了增值模块里的热量。栅格所移走的热量占总热量的2030，所以它的冷却能力是不可忽视的。图2.1.6 栅格整体（左）和栅格上的冷却剂通道（右） HCPB的增值模块由四个容器和一个支撑板构成，容器中填充有陶瓷增殖球（LiSiO/LiTiO）。容器的外表面和加固栅格之间被铍球填充，BU是HCPB的重要部分，它直接决定了HCPB的很多性能，如TBR、热效率（由He的最大出口温度所决定）、热力学性能和等。图2.1.7 HCP

15、B的增殖模块示意图 图2.1.8 BU冷却板上的氦冷却剂管道的排布示意图背板位于TMB的尾部，起到机械加固作用的同时，也构成了高压歧管/集合管系统，该系统为TMB的各部分（FW、BU、盖板、栅格）供给氦气，背板也为低压净化系统（low pressure purge system）提供歧管/集合管。TBM的最尾部设计安装的是接口系统（TMB port plug Interface System PP-IS）。PP-IS由以下几个子系统构成：a. 机械固定系统(echanical attachment)；b. 管道连接系统(Pipe connections)；c. 接地系统(Grounding)；

16、d. 抓取系统(gripping system)。图2.1.9 PP-IS的机械固定系统2.1.2 HCPB中子学分析 HCPB-TBM的中子学计算是由MCNP-4C完成的，其中的核截面数据来自FENDL-2 data 实验室。一个20度的圆环截面模型是计算的基础。已经计算出了HCPB-TBM 每个栅元中所产生的核功率。一个HCPB-TMB的总功率大约是0.67MW。图2.1.10 嵌有HCPB-TMB的ITER MCNP模型的径向-极向切面图2.1.3 HCPB热工水力学分析 包层里的冷却剂流动方案取源于 DEMO blanket。模拟对四分之一的TBM进行了热工水力学评估。热分析和热工水力

17、学分析 工具：ANSYS目标：分析不同参数下的2D和3D TBM模型，计算温度场和应力场。 工具：RELAP/ATHENA codes目标：模拟瞬态，整个He回路。 工具：STAR-CD目标：3D流体力学计算，分析MFs和FW通道的流速、压降和导热系数。冷却剂首先流过FW，然后平行地流过盖板和栅格，最后流过增殖区。为了增加TBM的可控性和FW与BU的冷却去耦效应，冷却剂在流过FW之后，流入BU之前，设置了一个冷却剂的旁路。图2.1.11 HCPB-TBM氦冷却剂流动方案图2.1.12 HCPB-TMB FW中的冷却剂管道实物图（左），冷却剂管道的横截面（右） 在分析第一壁内冷却剂管道截面的温度

18、时可以发现，对于两种不同的冷却剂管道排布方式，来回循环的冷却剂流动方案比单一方向的冷却剂流向设计地更加合理。如下图所示，对于单一流向的冷却剂管道内，氦冷却剂被加热的部分只集中在等离子体一侧。相比于前者，来回流向的冷却剂管道内氦的加热区域除了等离子体受热面以外，上下侧区域也被加热，增大了冷却剂的受热体积，提升了冷却剂的冷却效率，更加有利于FW/FSW的降温。图2.1.13 单一方向排布的冷却剂管道截面（左）和交替排布的冷却剂管道截面（右）的温度分布图2.2 HCLL (European Helium Cooled Lithium Lead Test Blanket Module )2.2.0 H

19、CLL概述研制单位：法国原子能委员会（France CAE）增殖剂：液态金属（Pb-15. Li-7）冷却剂：氦结构材料：马氏体钢(EUROFER)HCLL-TBS(Test Blanket Systen)适用于真实聚变环境下的测试模型。要求可以在正常或偏离正常的工况下具有转移表面热流能量的能力。HCLL-TBM主要包括第一壁、增殖区域、屏蔽层和结构框架。HCLL-TBM被安置在ITER的赤道窗口内并被凹嵌在真空室里。图2.2.1 HCCL -TBM的三维示意图表2.2.1 HCCL-TBS的各部件材料TBM结构材料马氏体钢(EUROFER)第一壁保护层铍层中子倍增区Pb-15. Li-7氚增

20、殖区Pb-15. Li-7管道不锈钢冷却剂氦PP（TBM Port Plug）结构材料不锈钢(AISI 316L)屏蔽材料不锈钢(AISI 316L)管道不锈钢(austenitic steel TBD)冷却剂水IP(Interspace)结构材料不锈钢(austenitic steel TBD)HCLL-TBM主要有以下设计目标: 确保整个过程氚增殖的可能性，并可以外推出整个包层的外部尺寸； 为了产生足够的电能，要确保产生和传输足够的热能； 具备实时的氚恢复能力和控制系统； 校验包括中子学、电磁学、热传输和流体力学的设计工具和数据库； 在不同负载的情况下，确保包层系统的整体性能； 在包层模块

21、测试时，观察可能的辐射效应； 分析工具的校验。2.2.1 HCLL工程描述 HCLL-TBM的主要特点是它的包层是由水平方向的矩形截面的通道所冷却，TBM由冷却过的栅格构成，栅格起到了加固包层的作用，以便当TBM发生冷却剂泄漏事故时可以承受冷却剂循环系统内的8MPa压强。增殖剂Pb-Li在栅格所形成的径向腔室里流动。每一个腔室里会嵌入一个增殖剂冷却单元BU（breeder cooling unit），用以确保增殖剂的温度保持在正常的范围内。每一个BU包含五个径向-环向的板CPs（Cooling Plates），冷却板是由其内部的双U形管冷却，并焊接到BU的背侧。位于BU背板后侧的两个BU收集器

22、（BU collectors）的作用是分配和收集冷却板里的氦。图2.2.2 HCLL-TBM的径向-极向截面示意图（上半部） 氦冷却剂循环的初始温度是300度，而后冷却剂会平行地流过FW并带走表面所沉积的热能和增殖区所产生的一小部分能量，之后氦流过冷却板，带走由增殖区所产生的大部分能量，最后流出出口时的温度是500度。为了提高PbLi液态金属的流动速度从而达到较高的循环效率，同时又要避免液态金属流动地过快，所以在整个包层的冷却剂循环方案的设计上，采用的是一种平行直线的回路设计而不是曲折的设计。液态金属首先从外部的歧管流入。为了使液态金属到达一个稳定且适中的速度，液态金属会经过BU背部的流速分配

23、箱。当液态金属流过BU后，通过一个总管从BU中流出。PbLi液态金属的排放口安置于TBM的底部，同时在整个液态金属循环系统里，液态金属收集箱也被安置在TBM的水平位置以下，这是一种非能动的流动设计。这意味着在人为主动的方法（active method）无法工作时（比如从上端注入惰性气体），液态金属仅仅依靠重力就可以实现循环，这样的设计提高了系统的固有安全性。图2.2.3 HCLL-TBM PbLi液态金属流动示意图2.2.2 HCLL中子学分析 HCLL-TBM的中子学分析使用的是由MCNP软件，采用的是FEND2.0核数据库。三维ITER的MCNP模型和比较精确的TBM模型已经建立。 模型被

24、安置在ITER赤道窗口的位置。在赤道窗口周围，TBM由一定厚度的钢和水包围。模型中的中子通量和质子通量也被计算得出。图2.2.4 三维反应堆模型极向-径向方向截面示意图2.2.3 HCLL热工水力学分析 对于FW和增殖区的热工水力分析采用的是有限元分析方法和简化的热工水力学球估算的方法（thermal hydraulic global estimations）。图2.2.5 HCLL-TBM的有限元模型（红色区域：FW，蓝色区域；冷却板CP；黄色区域；PbLi液态金属） 图2.2.6 HCLL-TMB的冷却板的温度模拟图2.2.7 第一壁的温度分布（面向等离子体一侧）在TBM内部的子系统中和外

25、面的循环系统中，液态金属的每一部分的压降也得到了估算。在增殖区的液态金属产生压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体的速度决定的。还有一个原因是当在一定温度下由于流体的加速而产生了体积的变形，从而产生了一定的压降。图2.2.8 增殖区内的液态金属流动压降示意图2.3 HCSB (U.S. Helium-Cooled Solid Breeder)2.3.0 HCSB概述 研制单位：加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)氚增殖剂：锂的陶瓷球（LiSiO）中子倍增剂：铍 冷却剂：氦结构材料：F82H、铁素体刚美国选用了氦冷固体增殖、铁素体刚和铍中子增殖剂所构成的包层概念做为ITER

26、 TMB的测试增殖包层。锂的陶瓷球作为增值材料是这种概念设计的基础。图2.3.1 HCSB-TBM示意图 在子模块的设计中，增殖区域安置在铁素体钢U型的FW结构箱中，表面的FW厚度是28mm。其平均表面热流为0.3MW/。HCSB-TBM的FW和FSW中子负载是0.78MW/，HCSS的FW设计成可以传输0.307的总沉积热的结构。在模块中，有两种设计装置被安置在FW结构箱的后面。一种设计是铍和增值床被垂直地安置于等离子区域的方向上，另外一种布局格式是增值区域平行与等离子体区域。 图2.3.2 四分之一窗口的子模块2.2.2 HCSB工程描述 HCSB-TBM的表面热负载是0.53MW/，为了

27、确保较高的热传输效率，冷却剂就要求有很高的传输速度。通过把五个冷却剂通道组合在一个结构中可以降低冷却剂的流通面积，从而增大冷却剂的流速。图2.3.3 FW的截面示意图（上），五个冷却剂管道的局部示意图（下）当采用低温运行设计的情况下，氦冷却剂首先流过增殖区域的通道，然后再进入第一壁，因为这种设计的主要目的就是使增殖区域保持在一个较低的温度下。当采用高温运行设计的情况下，情况就会反过来，冷却第一壁结构就成为了首要任务。因为过高的冷却剂流速会使出口端的冷却剂温度变低，所以当冷却剂流出增值区和流入FW之间时，大约有10%的冷却剂会通过旁路流出。剩下的冷却剂会流入四条通道，从而冷却上下两个面的盖板和两

28、个增殖设备，图2.3.4 低温时中子学计算模块（左），反应堆温度下的热力学计算模块（右）氦冷却剂在分层的设备排布中主要是环向流，而在侧位的装置里则大部分是径向流。在侧位，增殖区的氦冷却剂被分成两条支流，一条流入较远的左边子单元再进入增殖区，另一条则是从右侧进入，两条通道都是径向地排布在前段，然后再转弯流回歧管。每条冷却剂在通过增值区域的冷管后会流入下一个管，直达它流入最后一个增值区域，最终在出口通道里汇流并通过出口集合管。在增殖区侧位装置上存在着两种温度梯度（径向和环向），在增值区的分层设备中主要是径向温度梯度。增殖球床上的这种二维温度梯度最终会影响到TBR。图2.3.5 侧位装置的冷却剂集合

29、管设计（左），分层装置的冷却剂集合管设计（右）2.3.2 HCSB中子学分析 计算结果可由基准测试程序和校正过的数值代码或采用分析方法计算得出。（ITER test results can be used to benchmark/calibrate any numericalcodes or analytical methods）。为了提高复杂情况下代码的最大可信度，该设计的重要准则是高阶的偏微分方程可以满足几何尺寸的要求。图2.3.6 HCSB的中子学计算模型2.3.3 HCSB热工水力学分析 分析的对象是一个整体包层模块的子模块，其中包含了五条冷却剂通道。为了第一壁在热传输时计算准确性和

30、瞬态分析下计算的方便，这个模型在第一壁表面采用了10个四边形的单元，沿着模型外侧的周长的横截面是一个常数。电脑计算总的单元是280,570个。图2.3.7 HCSB-TBM第一壁的模型分析结果：1） 符合设计要求：固态氚增殖剂和铍球床的计算温度低于固态增殖球床典型的运行温度限值850和铍球床的限值600。2） 温度最大最小值的位置：最高温度是790.76，位于模型的固态增值球床（靠近第一壁处）左半边（侧立结构）。最低温度为325.125，位于第一壁侧面结构和第一壁内侧结构上。3） 两种温度梯度：层式结构的增殖球床的温度梯度主要在径向。而在侧立结构中，径向和环向都有温度梯度。二维的温度梯度将影响

31、固态增值球床的热力性能。图2.3.8 HCSB-TBM增值区域的温度模拟2.4 DCLL ( DUAL COOLANT Pb-17Li TEST BLANKET MODULE)2.4.0 DCLL概述研制单位：通用原子能公司（General Atomics）；加利福尼亚州立大学（University of California）；橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）；美国阿尔贡国家实验室（Argonne National Laboratory）；阿拉莫斯科学实验室（Los Alamos National Laboratory）等。氚增殖剂：自冷液态增殖

32、剂（Pb-17Li）冷却剂：氦结构材料：铁素体刚对于DCLL的液体增殖剂的设计，采用的是低活化的铁素体刚作为为结构材料，第一壁和包层材料的冷却剂选用的是氦，选用Pb-17Li作为自冷液态增殖剂（self-cooled liquid breeder），两个TBM被安置在一个水冷的框架中。这个系统也被设计成可以承受来自冷却剂系统的压力，以防止氦泄漏到铅锂液态金属的腔室中。在很多模块的设计上，采用了最大的简化设计，降低了制作工艺的要求。图2.4.2 DCLL TBM结构示意图2.4.1 DCLL工程描述 DCLL-TBM第一壁设计要保证模块可以承受来自等离子体真空室的热流并确保TBM结构材料不会超过

33、温度极限。在第一壁面向等离子体的部件（plasma facing component PFC）采用了2mm厚的铍层。DCLL-TBM的FW是由铁素体钢构成的一种U形结构，多通道的冷却剂通道设计在其中，以便最大可能的载走热量。每一个FW都含有80个20mm宽19.25mm深的冷却剂矩形通道。氦流在FW和FSW之间循环，在每个循环之间，冷却剂氦都会流过流量整理器（flow arrangement），这使得冷却剂每次都是以统一的温度到达FW表面。TBM FW设计成含有两条冷却剂回路的结构,一条的通道端口是在FW背侧边缘的面上，它们直接与外部背板的集合管连接。第二条回路的通道端口在FW内侧的面上，这种

34、设计分隔了氦冷却剂，同时也简化了TBM的制作工艺。图2.4.3 DCLL-TBM FW的示意图上下侧的盖板在形状上基本相似的，表面都布有径向的冷却剂通道，以使部件充分冷却并保持在一个合适的温度范围。氦冷却剂首先从背部的歧管流入，之后在背板上的冷却剂通道内流动，最后垂直地流入两个栅格板的冷却剂入口，对内部的栅板提了供必要的冷却剂流量。该设计简化了制作工艺，如下图所示。图2.4.4 DCLL TBM上侧盖板示意图在DCLL-TBM中，当液态金属由外部管道进入TBM中时，会被分隔板分流，Pb-Li液态金属在腔室的前部中向上流动，然后在背部腔室中向下流动。栅格除了起到了强化结构的作用以外，这里也起到了

35、分隔板的作用，在环向方向的宽度上DCLL-TBM栅格形成了三道冷却剂通道。其内部安置的氦冷却剂通道会使栅格得到充分冷却并带走多余热量。图2.4.5 DCLL-TBM栅格示意图图2.4.6 DCLL TBM的液态金属流动方案 图2.4.7 DCLL-TBM背板组件示意图2.4.2 DCLL中子学分析对DCLL TBM的TBR，辐射损伤，核热量（nuclear heating）和屏蔽等参数已经进行了相关的中子学计算。DCLL TBM早期采用的是一维的中子学模型使用反复迭代的方法进行分析。采用DANTSYS 3.0的ONEDANT模型离散纵坐标粒子输运系统运算（The ONEDANT module

36、of the DANTSYS 3.0 discrete ordinates particle transport code system)，计算使用的是FENDL-2 nuclear data library数据库。图2.4.8 DCLL TBM各组件上产生的热功率2.4.3 DCLL热工水力学分析Thermo-hydraulic Analyses使用的是商业软件FLUENT对TMB进行计算流体力学的运算。图2.4.9 DCLL TBM第一壁的CFD温度模拟结果 2.5 CHC (Russian Federation Ceramic Helium Cooled)2.5.1 CHC概述 研制单位

37、：N. A. Dollezhal Research and Development Institute of Power Engineering (NIKIET)氚增殖剂：Li4SiO4中子倍增剂：铍冷却剂：氦结构材料：chromium ferritic-martensitic steel俄罗斯的TBM是由垂直分隔在支撑框架里的两个子模块构成的。设计要完成两个基本目标。第一，所测试的含有两个实验包层的子模块包层系统必须通过验证。第二，所有的子模块都必须要有基本的ITER屏蔽功能。两个被嵌在一个框架内TBSM（Test Blanket Sub-Modules）和它们的屏蔽外壳都被固定在一个水冷的

38、框架里，这个框架被固定在真空室上以用来传输TBSM所产生的负载。图2.5.1 含有两个RF CHC-TBSM框架垂直方向截面图图2.5.2 RF CHC-TBSM的结构分解图实验包层系统必须要具有以下功能： 良好的氚增殖能力； 可以产生很高的热量和相应合适的冷却剂循环系统； 在真空室结构材料里降低核反馈（nuclear responses）； 避免超导线圈和真空室受到过度的热量和辐射损伤； 真空室的负载传输（loads transmitted）最小化，并使TMB和真空室的温度产生去耦效应。表2.5.1 RF CHC-TBSM的相关设计要求总功率 MW0.942主冷却剂氦氦的总的质量流率kg/s

39、1.8氦的压强 MPa8回路数（Number of circuits）1主冷却剂中的氦压降MPa0.086氦的入口/出口温度C300/500最大期望温度C 结构材料中子增殖剂陶瓷增殖剂55060010002.5.1 CHC工程描述 TBZ是由五个中子增殖单元组成的系统，它们由特殊的组件连接，并固定在TBSM盒中。每一个氚增殖单元（TBE）都是由两个同轴盘绕的管道组成(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，之间的环道是冷却剂的流动通道。为了移走所产生的氚，净化气体（purge-gas）会在增值剂中循环。冷却剂和净化气体（purge-gas）在增

40、殖单元背板后的进出口有集合管连接。图2.5.3 CHC-TBM增殖模块结构示意图图2.5.4 CHC-TBM增殖模块内管道结构示意图第一壁是由两个弯曲的钢板所构成，上面的钢板需要制成含有25道的矩形截面冷却剂通道的样式，如下图所示。然后再将两个钢板通过螺栓固定。这个安装过程使用的是高温等静力压制HIP（Hot Isostatic Pressing )的方法。 图2.5.5 CHC-TBM FW结构示意图图2.5.6 CHC-TBSM的背板示意图2.5.2 CHC中子学分析辐射传输计算使用的是三维的MCNP-4A程序，不安全性和不确定性因素也被考虑进来。对于模型的整个区域计算所得到的计算误差是2

41、-6 %。图2.5.7 CHC-TBM的中子学计算模型2.5.3 CHC热工水力学分析对模型的热工水力分析采用的是“Inductive-I” 运行模型。从瞬态分析可以发现FW的最高温度（607度）在FW下侧的转弯处附近。图5.2.8 CHC-TBSM的温度模拟计算示意图2.6 HCSB (Japan Helium Cooled Solid Breeder)2.6.0 HCSB概述氚增殖剂：锂的陶瓷材料（）中子倍增剂：Ti 或 BeTi合金冷却剂：氦结构材料：F82H、马氏体钢在本部分介绍了JP-HCSB（氦冷固态增殖包层）设计、性能分析和研究与发展的情况等。管外增殖剂BOT（breede ro

42、ut of tube）的结构设计概念被运用到的增殖剂球床中和铍中子增殖剂球床中。氦冷却剂的温度是300/500度，压力是8MPa。该设计展现了良好的热工水力学特性，也满足了各部分的材料温度限值，同时也没有出现严重的压力下降的情况。 包层部件单位HCSB结构材料F82H冷却剂氦气中子增殖区主要材料铍温度限制600先进的材料（Advanced）Ti 或 BeTi合金氚增殖区主要材料温度限制900候补材料（Backup）锂的陶瓷材料第一壁面积1.49 0.91TBM厚度m0.6表面热流MW/0.3壁的中子载荷MW/0.78总沉积热MW1.61总的氚产量g/FPD0.180冷却剂压强MPa8.0冷却剂

43、入口温度300.0冷却剂出口温度500.0冷却剂流率kg/s1.80冷却剂旁路流率kg/s0.51表2.6.1 HCSB的主要工程参数2.6.1 HCSB工程描述日本的固体增殖TBM的设计具有以下特点： 第一壁和侧壁通过高温等静力压制工艺（Hot Isostatic Pressing ，HIP）使用马氏体钢制成的。 为了降低等离子体扰动的电磁效应和冷却剂泄露而造成的压力升高的影响，该设计采用了垂直的插槽设计，这使得包层模块被分割成几个子模块。子模块被焊接在背板上。 HCSB-TBM的旁路流的作用是用来调整在DEMO的相关工况下TBM的运行温度的。旁路流首先被热交换器变成统一的温度，然后再在出口

44、处合流。另外每一个子模块的歧管之间也是相互独立的，这种设计可以允许测试不同概念的子模块。 氚增殖区和中子增殖区被安置在层状的球床中，他们由含有冷却剂通道的隔板隔。图2.6.2 HCSB-TBM 不同截面示意图（为什么增殖区越靠后越厚）图2.6.3 Purge gas（左）和冷却剂（右）的HCSB-TBM流动方案2.6.2 HCSB中子学分析采用一维中子学分析，运用的是离散纵坐标程序DOT3.5，使用的是FUSION-40实验室的中子截面库。图2.6.4 HCSB-TBM的中子学模型2.6.3 HCSB热工水力学分析采用的是二维热工水力分析，使用的是TCWS软件。从图中可以观察到在冷却剂管道周围

45、的温度相对比较低。相比中子增殖区，氚增殖区产生了TBM中的绝大部分热量，而且位于等离子体较近的氚增殖区产生的热量又是所有氚增殖区里最多的，所以前段的冷却管设置比背部稠密的多。图2.6.5 HCSB-TBM温度模拟，400S（上），1000S（下）总结 根据不同的氚增殖剂种类、中子倍增剂的材料、冷却剂流动方案和机械结构设计的不同，每个TBM设计方都提出了各自的设计方案。不同的TBM设计方案都有其各自的特点，但是为了满足TBM的基本要求，不同的TBM基本上都是有以下几个主要分构成：第一壁FW、栅格Grid、增值区BU、背板和歧管Back Plate/Manifold。为了降低了制作工艺的要求，在很

46、多模块的设计上，采用了最大的简化设计（如DCLL的最大特点是简化了制作工艺）。第一壁是TBM的主要组成部件之一 ，他的第一层多采用了很薄的铍层。它也是系统中温度较高的部位，所以有关第一壁冷却的方式显得尤为重要。对于两种不同的第一壁中冷却剂管道排布方案，来回循环的冷却剂流动方案比单一方向的冷却剂流动方案更加合理。在本报告中所论述的所有TBM都是采用了第一壁来回循环的冷却剂流动方案。因为来回流向的冷却剂管道内氦的加热区域除了等离子体受热面以外，上下侧区域也被加热，增大了冷却剂的受热体积，提升了冷却剂的冷却效率，更加有利于FW/FSW的降温。（如HCPB、DCLL、HCLL等）对于不同的TBM，绝大

47、部分冷却剂都是由氦气组成的。其中冷却剂循环系统的工作压力一般都为8MPa。虽然各自的TBM冷却剂循环系统都有其各自的特点，但是其基本设计目的是一致的。为了让TBM的每一个部分得到足够的冷却，几乎所有的部件FW、BU、盖板和栅格（有的也包含背板，如CHC ）内部都设计了通有氦气的冷却剂通道，只是根据不同的设计需求，每个结构的冷却剂通道的排布各有不同。为了确保较高的热量传输效率，冷却剂要求有很高的传输速度。而过高的冷却剂流速会使出口端的冷却剂温度变低，减少了冷却剂的利用效率，使得外部的热功率转化效率减少。所以冷却剂要保持在一个合适的流速。为了控制冷却剂的流量，大部分TBM都会设计一个冷却剂旁路。 对于不同的栅格结构，绝大部分都有以下两个特点。第一，栅格的设计要具有合理的空间结构，以便有合适的空间结构将增殖区安置在其内内（对于固态增殖剂而言）。第二，不同的栅格结构对TBM起到了加固的作用并且都要求当TBM发生冷却剂泄漏事故时可以承受来自冷却剂循环系统内的8MPa压强（如DCLL，HCLL），以防止氦泄漏到铅锂液态金属的腔室中（相对液态增殖剂而言）。 BU是TBM设计的重要部分，它直接决