发布时间：2021-11-18所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：中国聚变工程实验堆(ChinaFusionEngineeringTestReactor，简称 CFETR)的主要目标之一是实现氚自持。采用氚平衡法对 CFETR不同运行工况下的氚自持条件进行了分析评估。结果表明：在500 MW 运行阶段，CFETR实现氚自持所需的最小氚增殖比(TBRr)为1.098，小 于 CFETR
摘要：中国聚变工程实验堆(ChinaFusionEngineeringTestReactor，简称 CFETR)的主要目标之一是实现氚自持。采用氚平衡法对 CFETR不同运行工况下的氚自持条件进行了分析评估。结果表明：在500 MW 运行阶段，CFETR实现氚自持所需的最小氚增殖比(TBRr)为1.098，小 于 CFETR 增殖包层可达到的氚增殖比(TBRa)，即在理论上满足氚自持条件。在此基础上，提出了 CFETR未来通过定期的氚衡算来验证氚自持的基本策略。在基准输入参数和氚存量测量精度限制(1%)条件下，CFETR氚自持验证实验的运行周期需要大于22d(氦冷包层)或87d(水冷包层)。
关键词：CFETR;氚自持;氚增殖比;验证策略
根据中国磁约束核聚变能发展技术路线图，我国将在2030～2040年建成并运行中国聚变工程实验堆(ChinaFusionEngineeringTestReactor，简称 CFETR)[1]。CFETR定位于填补国际热核实验堆(ITER)和聚变示范堆(DEMO)之间的空白，其主要目标包括：(1)实现200～1500 MW 聚变功率输出;(2)实现稳态或长脉冲等离子体运行，运行因子达到0.3～0.5;(3)实现氚燃料自持，氚增殖比(TBR)大于1.0。
氚自持是聚变能源商业应用的基本 前 提，能否实现或如何实现氚自持一直以来都是聚变研究领域的热点问题之一。关于 CFETR 的氚自持问题，目前已有一些研究工作见诸文献报道[2-7]。这些研究 均 采 用 了 类 似 Abdou等[8-9]的 平 均 停 留时间法进 行 燃 料 循 环 建 模 和 氚 自 持 分 析，但 是不同作者给出的 分 析 模 型 存 在“繁”与“简”的 区别。从氚 自 持 分 析 角 度 出 发，燃料循环分析模型并非越 精 细 越 好，因为越精细的模型需要的输入参数 越 多，而输入参数的确定在现阶段往往是比 较 困 难 的。也 正 因 为 如 此，不 同 作 者 在氚自持分 析 中 给 定 的 基 准 输 入 参 数，如 平 均 停留时间、非放射性 损 失 率 或 回 收 率 等，往 往 存 在比较大的 区 别，从而导致了计算结果的不一致性。此外，现有研究工 作 均 未 探 讨 CFETR 将 来如何验证氚自持的问题。
除了经典的平均停留时间法外，Nishikawa[10]采用的氚平衡法也是分析氚自持问题的一种简单有 效 的 方 法。 本 研 究 拟 采 用 氚 平 衡 法 分 析CFETR的氚自持问题，结合 CFETR设计研究进展，评估 CFETR 实现氚自持所需的最小氚增殖比(TBRr)，并在此基础上探讨 CFETR 将来在实际运行中验证氚自持的基本策略。
1 分析方法
根据定义，聚变堆实现氚自持的条件如式(1)[8]。
TBRa ≥ TBRr (1)
式中：TBRa，聚变堆增殖包层可达到的氚增殖比;TBRr，聚变堆燃料循环所需要的最小氚增殖比。
TBRr 的基本内涵包括：(1)补充氚在等离子体中的燃耗;(2)弥补氚的衰变损失;(3)弥补氚在处理过程中的非放射性损失，如氚在材料和系统中的滞留、渗 透、泄 漏 等;(4)为 聚 变 堆 的 运 行积累备用氚;(5)为下一个聚变堆的启动积累首炉氚。CFETR作为第一个演示和验证氚自持的聚变工程实验堆，可暂不考虑积累备用氚和为下一个 聚 变 堆 积 累 首 炉 氚 的 问 题。于 是，CFETR的氚平衡条件可表示为式(2)。
2 结果与讨论
2.1 输入参数
本工作中 CFETR氚自持分析相关输入参数的基准值和部分参数的参考值列入表1。下面对这些输入参数进行简要的说明或讨论。
(1)物理运行参数(Pf、β、AF)
根据 CFETR 科学目标和分期实验计划，CFETR将在中等运行参数(400～500 MW)阶段探索并实现氚自持[11]。在中等运行参数阶段，将燃烧率做到1%的水平是比较有把握的。到了高运行参数(1.5GW)阶 段，燃烧率有可能提高到3%甚至以上。因此，分别取聚变功率Pf=0.5GW和氚燃烧率β=1%作为基准值。CFETR 的主要目标之一是运行因子(AF)达到0.3～0.5。考虑到 CFETR是一个 工 程 实 验 堆，故保守取运行因子 AF=0.3作为基准值。
(2)真空室壁氚滞留率(δ)和氚渗透率(ε)
氚在真空室壁中的滞留率和渗透率可能是现阶段最不 确 定 的 两 个 参 数。Roth等[12]对ITER真空室壁的氚滞留量进行了评估，在全钨(W)第一壁情况下，氚滞留量几乎呈线性增加，氚滞留率约为0.0002～0.0003。由于 CFETR 也将采用全钨第一壁，因此取氚滞留率δ=0.0003作为基准值。Katayama等[13]对 DEMO 工 况 下 等 离 子体驱动的氚渗透 速 率 进 行 了 评 估，在全钨第一壁情况下，氚渗透至第一壁冷却剂和偏滤器冷却剂中的速 率 分 别 为 1.8g/d 和 1.6g/d。如 果 按 照3.4g/d的氚渗透速率进行反推，可得到氚在真空室壁中的渗透率与滞留率在同一个量级。为简单起见，同样取氚渗透率ε=0.0003作为基准值。
(3)燃料循环参数(τ1、τ2、ηFC)
燃料循 环 分 为 内 循 环 和 外 循 环。对 于 内 循环，氚处理 时 间 可 做 到2～6h[9]。CFETR 内 燃料循环系统采用了快循环方案[11]，预计80%的燃料可实现1h循环，剩余20%的 燃 料 可 实 现6h循 环，通过加权平均可得到总的 循环时间约为2h。但是出于保守考虑，仍然取内循环时间τ1=6h作为基准值。外循环氚处理时间与增殖包层的类型和氚提取回收的技术方案有关，一般比内循环时间要长。CFETR 将采用氦冷或水冷固态包层，这里取外循环氚处理时间τ2=24h作为基准值。
对于燃料 循 环 系 统 的 氚 回 收 率，ITER 要 求其达到0.99999以上[10]。就国内目前水平而言，要达到这个要求无疑是非常困难的。但是出于氚安全方面的考虑，这个要求又是必须达到的，否则无法 获 得 许 可 证。 参 考 ITER 的 氚 排 放 标 准(1g/a)[14]，可推算出 CFETR的环境氚释放率应控制在1×10-7水 平 以 下。按照目前的设计，氚安全 包 容 系 统 的 除 氚 因 子 为103，那 么 燃 料 循 环系统的氚回 收 率 需 达 到0.9999才 能 满 足 环 境 氚释放率的控制指标。由于 CFETR 的氚排放标准尚未明确，故取氚回收率ηFC=0.9999为基准值。
(4)包层氚提取率(ηBB)
在固态增殖包层中，氚的损失包括在 增 殖 剂材料和结构材料中的滞留，以及通过结构材料向包层冷却剂中的渗透，其中后者是主要的损失源项。根据包层氚输运分析，通过渗透进入包层冷却剂中的氚大约占包层中增殖氚的0.1%～1%。参考 CFETR氚工厂系统设计[11]，取包层氚提取率ηBB=0.99作为基准值。
(5)备用氚存量(Ir)
备用氚存量主要是为商业聚变堆在燃料循环系统出现故障时可以不停堆维修而考虑的，对于CFETR这样一个工程实 验堆而言并非特别重要。当然，适当的备用氚存量对于提高 CFETR实验运行的灵活性也是有好处的。由于目前鲜有关于 CFETR备用 氚 存 量 问 题 的 讨 论，本 研 究 取备用氚存量Ir=500g作为基准值。
2.2 最小氚增殖比(TBRr)
由表1中给出的基准输入参数，由式(14)计算得到 TBRr=1.098。需要指出的是，该计算结果并未考虑冷却剂、氚安全包容系统以及真空室壁材料中的氚回收问题。之所以不考虑上述氚回收问题，是因 为 CFETR 的一个实验运行周期可能比较短(比如几周)，渗透至冷却剂中的氚、泄漏至氚安全包容系统中的氚以及滞留在真空室壁材料中的氚可能来不及被有效回收。如果 CFETR的实验运行周期足够长，并且假设冷却剂、氚安全包容系统以及真空室壁材料中的氚的回收率均为90%，那 么 可 计 算 得 到 不 同 氚 回 收 条 件 下 的TBRr，结果列 入 表 2。由 表 2 可 知，通 过 对 渗 透至冷却剂中的氚、泄漏至氚安全包容系统中的氚以及滞留在真空室壁材料中的氚进行有效回收，可以显著降低氚自持对 TBR 的要求。在理想情况下(表2中的条件 H)，最小氚增殖比 TBRr 可降低至1.025。
在 基 准 输 入 参 数 的 基 础 上，分 别 对 燃 烧 率(β)、聚变功率(Pf)、运行因子(AF)和内循环氚处理时间(τ1)进行了敏感性分析，结果示于图1—4。
由 图1 可 知，氚 燃 烧 率 对 TBRr 的 影 响 非常 大，氚 燃 烧 率 越 小，TBRr 越 大，这 个 趋 势 在氚 燃 烧 率 小 于1%时 尤 为 显 著。如 果 氚 燃 烧 率从1%提 高 到3%，那 么 TBRr 可 以 从1.098降低 至1.042。
本文来源于：《核化学与放射化学》Journal of Nuclear and Radiochemistry(双月刊)1979年创刊，是中国核学会与放射化学学会主办的学术刊物。办刊宗旨是为核化学与放射化学科学技术领域提供一个学术交流、成果推广的园地。本刊主要报道核化学与放射化学基础研究、放化工艺研究、辐射化学、同位素化学及有关分离分析方法的科研成果，适当报道国内外核化学与放射化学的新成就和发展动态及重要会议消息等。
从图2可知，聚 变 功 率 对 TBRr 的 影 响 趋 势与氚燃烧率类似，但是远不如氚燃烧率的影响显著。当聚 变 功 率 分 别 为0.2、0.5、1.0和1.5GW 时，TBRr 分别为1.103、1.098、1.096和1.095。
由图3可知：运行因 子 对 TBRr 的 影 响 较 为明显，趋 势 与 氚 燃 烧 率 和 聚 变 功 率 类 似。当 运行因子从0.3提 高 到0.5时，TBRr 从1.098降低至1.091。
由图4可知，内 循 环 氚 处 理 时 间 对 TBRr 的影响几乎是线性的，氚 处 理 时 间 越 长，TBRr 越大。当内循环氚 处 理 时 间 从6h缩 短 至2h时，TBRr 从1.098降低至1.089。与内循环相比，外循环氚处理时间对 TBRr 的影响可以忽略不计。尽管缩短氚处 理 时 间 对 TBRr 的 影 响 较 小(相 比于提高氚燃烧率)，但是氚处理时间对燃料循环系统的氚盘存量影响较大。当内循环氚处理时间从6h缩短至2h时，燃料循环系统中的动态氚盘存量从1969g降 低 至707g。因此从氚安全角度出发，仍然应尽可能地缩短氚处理时间。
综合图1—4可知，CFETR 实现氚 自 持 的 主要技术途径是：首先尽可能提高氚燃烧率，其次尽可能提高运行因子和缩短内循环氚处理时间。如果 CFETR在500 MW 运行阶段可将氚燃烧率提高到3%，同时将运行因 子 提 高 到0.5和 将 内循环氚处理 时 间 缩 短 至2h，那 么 TBRr 可 降 低至1.037。
根据 CFETR 增 殖 包 层 最 新 设 计 进 展，在 考虑了加热和诊断窗口后，氦冷包层的 TBR可以达到1.14[15]，水冷包层的 TBR可以达到1.107[16]。因此无论采用哪种 包 层，氚 自 持 条 件 TBRa ≥ TBRr 都是可以满足的。但这只是理论上的氚自持，未来 CFETR 能否真正实现氚自持必须通过CFETR的实际运行来进行验证。
2.3 氚自持验证策略
CFETR如何 验 证 氚 自 持?显 然，通 过 氚 自持条件 TBRa≥TBRr 来进行验证是不切实际的，因为 TBRa 和 TBRr 的 真 实 值 均 无 法 直 接 测 量。CFETR 作 为 一 个 工 程 实 验 堆，其 运 行 是 有 计 划有周期的，因此可以通过定期的氚衡算来验证氚自持。从氚存量测量的角度出发，一种比较切合实际的做法 是：在 CFETR 验 证 氚 自 持 的 实 验 运行周期前后，将燃料循环系统中的可回收的氚全部回收至氚储 存 与 供 给 系 统(SDS)中，然 后 采 用量热计 或 PVT-c法 测 量 SDS中 的 氚 存 量，最 后通过比较实验运行周期前后的氚存量变化来判断是否实现了氚自持。
采用上述方法验证氚自持，首先需要 考 虑 氚存量 测 量 的 精 度 问 题。 目 前，采 用 量 热 计 或PVT-c法测量氚存量的精度仅能达到 1% 的 水平[17]。这意味 着，如 果 SDS 中的氚存量增加或减少了1%，采用量热计或 PVT-c法是测不出来或测不准的。换言之，只有测得SDS中氚存量的增量大于1%才能够有力地说明 CFETR 实现了氚自持。
3 结 论
采用氚平衡法对 CFETR 的氚自持问题进行了分析，主要结论如下：
(1)在500MW 运行阶段，CFETR实现氚自持所需的最小氚增殖比(TBRr)为1.098，小于包层中子学计算给出的氚增殖比(TBRa)，即在理论上满足氚自持条件(TBRa≥TBRr)。
(2)CFETR 可通过定期的氚衡算来验证氚自 持，在基准输入参数和氚存量测量精度限制(1%)条件下，氚自持验证实验的运行周期需要大于22d(氦冷包层)或87d(水冷包层)。——论文作者：冉光明1，肖成建1，王和义1，汪小琳2，*
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