聚变水冷包层中子学分析研究

发布时间：2020-04-14 12:45

【摘要】：包层是磁约束聚变反应堆的核心部件。为了向热工水力学设计和核安全分析提供源项、评价聚变包层的产氚性能、分析材料辐照损伤和包层材料寿命,需要作大量的中子学计算。本论文目的在于以中国聚变工程实验堆(CFETR)水冷固态陶瓷增殖剂(WCCB)包层、欧洲DEMO水冷锂铅(WCLL)包层以及结构材料为分析对象,应用辅助建模工具McCad开发三维中子学模型,并通过蒙特卡罗粒子输运程序MCNP和活化计算程序FISPACT,完成中子学分析,从而为包层优化与材料选择提供中子学数据支持。首先,本论文基于CFETR-2018模型和WCCB包层结构方案,建立了较为精细的WCCB 3D中子学模型,使用MCNP研究了在不同聚变功率下WCCB包层的中子壁负载、氚增殖率、核热沉积和材料辐照损伤。结果显示,在200MW到1.5GW聚变功率、并初步考虑窗口效应条件下,WCCB包层氚增殖率满足CFETR氚自持要求(TBR≥1.1);1.5GW聚变功率下WCCB包层的总核热功率达到1410.78MW,能量倍增因子为1.175;包层第一壁铠甲和第一壁钢受到最大辐射损伤分别为6.767 dpa/FPY和10.335 dpa/FPY。另外,通过CFETR-WCCB一维中子学计算,分析了中子辐照对磁体影响,初步结果显示WCCB包层满足屏蔽要求。其次,本论文基于WCLL包层多模块设计(MMS),开发了WCLL 3D中子学模型,嵌入CFETR简化模型中进行中子学分析。经验证,WCLL包层设计满足CFETR产氚要求(TBR=1.19),外包层TBR贡献占所有包层的74.47%,内包层占25.53%,WCLL包层能够提供TFC所需的内屏蔽性能。根据同一CFETR主机模型开发了WCCB包层3D模型,比较了两者的氚增殖性能。此外,本论文以CFETR-WCCB包层为参考研究对象,开展了新型马氏体耐热钢SIMP钢应用于聚变堆的研究。通过MCNP与FISPACT活化耦合计算,分析了SIMP钢的放射性比活度、衰变热、接触剂量率、清洁解控指数和材料辐照损伤,并和EUROFER-97、F82H等典型RAFM钢作了低活化特性比较。模拟结果表明,SIMP钢体现出较好的低活化特性,从低活化的角度可应用于聚变包层。
【图文】：

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立尽可能精细接近真实几何的３Ｄ中子学模型才能确保获得更加精确的模拟结果。逡逑（？＞邋ＩＤｌＷｉａ立钵示息Ｂ逦（ｂ）邋ＩＤ濉j_＆？面图１邋（ｃ＞邋ＩＤ柱镇ａ立体示意Ｂ逦（ｄ＞邋ＩＤ柱棋ｆｉＷ面Ｂ逡逑ｚ邋个逦Ｚ邋４１］逡逑邙邋１逦—Ｌ逡逑Ｒ逦Ｒ逡逑（ｅ）邋２Ｄ柱横ｆｉ立体示意圈逦（ｆ）２Ｄｔｔ禊廧Ｍｉｌ田逦（焌＞邋３Ｄ柱横？立钵示息Ｂ逦００邋３Ｄｔｔ？？？面图逡逑图１．１邋１Ｄ／２Ｄ／３Ｄ三种维度中子学模型示意逡逑１．３包层中子学分析现状逡逑１．３．１欧洲ＤＥＭＯ包层逡逑２０１４年底，为加强欧洲各国在聚变研宄方面的合作，欧洲聚变能发展联合逡逑会ＥＵＲＯｆｏｓｉｏｎ正式成立。ＥＵＲＯｆｉｉｓｉｏｎ提出的ＥＵ－ＤＥＭＯ是介于ＩＴＥＲ和商业逡逑聚变电站之间的装置，其设计、建造和运行将从ＩＴＥＲ吸收大量经验。与ＩＴＥＲ逡逑相比，ＥＵ－ＤＥＭ？主要区别如下［４２］：邋１）解决电厂中所有可预见的物理和工程问逡逑５逡逑

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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TL62

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