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)達到點火條件所需的“聚變?nèi)胤e”最低，因而被認為是最容易首先實現(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)鍵問題之一。外源生產(chǎn)氚不但價格昂貴且受政策管制，現(xiàn)有的聚變堆設(shè)計通常采用包層增殖的方式來產(chǎn)氚，通過氚循環(huán)系統(tǒng)來保證氚的穩(wěn)定加料與回收，但同時各個子系統(tǒng)不可避免地存在氚泄漏和滯留等問題，以及盤存氚帶來的安全問題。因

2、此，需要對氚循環(huán)進行研究，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泄漏、滯留、衰變等損失，將決定整個聚變堆能否長期運行;(2)各子系統(tǒng)的氚盤存量，隨時間的變化關(guān)系將決定特定時刻的氚源項，影響事故狀態(tài)下的安全問題;(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)濟性。世界各國在穩(wěn)態(tài)聚變堆氚循環(huán)分析方面已較為成熟，但對脈沖聚變堆的氚循環(huán)分析重視不夠。而脈沖運行是聚變堆實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)運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。為了探明脈沖運行模式對氚循環(huán)分析造成的具體影響，開發(fā)一種可用于脈沖模式的動態(tài)氚循環(huán)模型顯得尤為重要。
　　本文依據(jù)國際上氚循環(huán)模型研究的最新進展及經(jīng)驗，參考ITER氚循環(huán)設(shè)計，增加聚變增殖包層的增殖環(huán)節(jié)，采用系統(tǒng)動力學方法構(gòu)建了氚循環(huán)研究模型。本模型能夠分析脈沖/穩(wěn)態(tài)兩種運行模式，既能模擬短時間尺度（秒/分/時）下各個子系統(tǒng)氚盤存量的精細漲落，又能分析長時間尺度（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開展了穩(wěn)態(tài)、脈沖運行狀態(tài)的校驗工作，結(jié)果表明，兩種運行狀態(tài)下本模型均具有良好的可用性和準確度。隨后，根據(jù)氚自持的主要影響因素，得了到用于氚自持/敏感性分析的簡化系統(tǒng)動力學分析模型。
　　本文選取典型脈沖聚變堆設(shè)計參數(shù)作為模型輸入，對脈沖/穩(wěn)態(tài)運行方案各氚循環(huán)子系統(tǒng)的盤存量、最小初始投料量和包層所需氚增殖率開展模擬研究，得到了不同脈沖長度(燃燒時間:450

5、s，3000s;等待時間:450s/1350s，3000s/9000s)燃燒方案下子系統(tǒng)氚盤存量隨時間變化的精細曲線。同時分析得出，(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關(guān)。其次，以TBRreq/最小初始投料量為因變量，采用簡化模型對氚自持影響因素進行了敏感性分析。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;