高能量增益GDT聚变中子源物理设计研究

发布时间：2020-06-02 03:02

【摘要】：核聚变能是公认的“清洁、安全、永久”的现代战略能源,是解决全球能源问题的关键。高能聚变中子辐照下聚变堆材料、部件的服役稳定性和安全性是制约聚变能发展的关键核科学与技术问题,因此迫切需要发展聚变中子源测试装置,用于测试及验证聚变核材料和堆内部件。同时利用聚变中子源来驱动聚变裂变混合堆,实现聚变能源的早期应用。基于GDT磁镜的聚变中子源具有技术难度小、结构紧凑、氚消耗量小、运行灵活等优点,是一种非常优秀的聚变中子源候选方案。现有的GDT聚变中子源存在能量增益较低的问题,且由于磁体技术、中性束加热技术限制,在工程技术方面制约了聚变能量增益的提高。为了提高GDT聚变中子源的竞争力,本论文提出了一种在现有工程技术水平下,通过设计优化提高GDT聚变能量增益的方法,同时开展高能量增益的GDT聚变中子源方案设计研究。本文主要开展了以下研究工作:(1)提出了在高磁场中性束注入以提高聚变能量增益的方法。通过在强磁场的位置注入中性束,最大限度地提高快离子在折返点的磁场强度和密度;并且能将快离子折返点的磁场强度与中平面磁场强度关系解耦,进而在保持折返点高磁场强度的条件下,能够通过降低中平面磁场的方式提高磁镜比。计算结果表明,此方案设计能够使GDT聚变中子源能量增益在现有设计的物理和工程基础之上提高2～3倍。(2)通过详细分析高密度快离子自身碰撞引起的散射损失,更新GDT聚变中子源中能量平衡、等离子体粒子平衡以及约束时间方程,完成了适用于描述高密度快离子情况下的GDT物理设计模型。同时,通过合理的设计,如增大等离子体半径或磁镜长度,实现抑制等离子体磁流体不稳定性,特别是Fire-hose微观不稳定性的激发。解决了引入高磁场中性束注入方法后,高密度快离子和磁流体不稳定带来的不利影响。(3)基于最新的高场中性束注入提升聚变能量增益方法,对GDT聚变中子源的两个主要应用方向——聚变材料测试和聚变裂变混合堆,设计了两套高能量增益GDT聚变中子源方案。完成了用于聚变材料测试的GDT聚变中子源关键子系统部件,如磁体系统、加热与加料系统、真空室和氚循环系统的初步设计,该方案在当前工程技术水平下具备一定的可行性。基于优化的用于聚变裂变混合堆的GDT聚变中子源设计方案,开展了 GDT聚变中子源驱动的次锕系核废料聚变裂变混合嬗变堆研究,完成了次临界包层设计与初步中子学分析。中子学结果表明该聚变裂变混合嬗变堆具有较优的应用前景。
【图文】：

托卡马克,图注,实验结果,能量增益

功率的最高记录一一达到了邋１６．１ＭＷ，并持续了邋１秒的时间Ａ需要指出的是，逡逑经过修正瞬态脉冲的影响（部分注入能量被用于等离子体外部能量，而不是维持逡逑聚变反应），ＪＥＴ装置这次试验的能量增益达到了邋０．９４邋（而不是图１．１中标注的逡逑Ｑ＝０．６５）ｌ９１。同年１２月，日本在ＪＴ－６０上利用氘－氘放电实验，获得了聚变实验逡逑装置最高的等离子体三重积参数：峰值离子温度￣４５ｋｅＶ，电子温度￣１０１＾￥，等逡逑离子体密度？１０２（）ｍ－３，标志聚变等离子体综合参数的聚变三重积达到了邋１．５ｘｌ0２１逡逑ｋｅＶｔｎｒ３。折算到氘－氚反应，能量增益因子Ｑ值达到了邋１．２５，超过了劳逊判据逡逑２逡逑

聚变中子源,锂靶,聚变材料,聚变装置

聚变装置中，采用加速器加速高能氘离子轰击液态锂靶的国际聚变材料辐照逡逑装置（ＩＦＭＩＦ），其产生的聚变中子能谱与氘氚聚变中子源能谱也有较大不同，如逡逑图１．２所示。因此，，ｆｆＭＩＦ无法模拟真实的氘氚聚变堆内中子能谱，特别是在高逡逑能段的中子能谱偏差较大［２３］。这些高能段的中子会额外引起高剂量氦产额，造成逡逑测试样品过早的因为氦脆而损坏。这样得到的测试结果对于模拟真实聚变中子环逡逑境值得商榷。逡逑（２）聚变堆关键部件的多物理耦合实验研究逡逑聚变堆内关键部件（如包层、偏滤器等）在包含着强磁场、高梯度温度场、逡逑重力场等多物理场共同耦合作用下，其服役的稳定性、可靠性面临极大考验。聚逡逑变堆具有中子能量高（１４．０６ＭｅＶ）、中子流强高（＞１０２Ｑｎ／ｓ）、离子辐照热流密度逡逑大（２？４０ＭＷ／ｍ２）、强磁场（４？１２Ｔ）、高温差（４Ｋ￣１０８Ｋ）、放射性氚等特点，其对逡逑内部件的可靠性与安全性具有远不同于裂变堆的特殊性。例如，包层是实现聚变逡逑能转换和聚变氚自持的关键部件，在聚变堆中面临高通量的高能中子辐照逡逑（＞２ＭＷ／ｍ２，１４．０６ＭｅＶ），强烈的等离子体烧蚀和表面热冲击，高梯度变化的热逡逑负载、温度场、磁场对包层材料产生强烈的辐照损伤、结构应力等。同时，磁场逡逑变化、浮力、湍流、重力共同作用下
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O571

【参考文献】