CFETR氚循环模型与氚自持研究

摘要

氚是氘氚聚变中必不可少的燃料。然而氚在自然界的丰度只有10-16％，而人工获取氚的数量有限，并且氚半衰期较短（12.43年）导致氚难以长期储存。氚资源的匮乏要求氘氚聚变反应堆必须能够实现氚自持。通过建立聚变反应堆氚循环系统模型可以模拟氚在聚变堆内的循环，最终给出聚变堆实现氚自持的条件，以及氚自持的影响因素。本文从氚自持要求的参数条件及分析氚自持影响因素的角度出发，对中国聚变工程实验堆CFETR进行了氚循环系统模型研究及氚自持研究。另一方面，由于氚增殖包层是实现氚增殖的关键部件，本文对CFETR氦冷固态氚增殖包层进行了氚循环计算研究。
　　本文首先建立了氘氚聚变堆氚循环系统模型，模型单独考虑了加料系统，并对废物处理系统进行了详细建模。然后修正了用于氚循环计算的平均滞留时间方法，修正后的计算方法考虑到了加料系统和等离子体内的氚。并给出了采用数值方法计算氚自持要求的最小氚初始启动投料量及最小氚增殖率的计算方法。
　　然后基于本文的聚变堆氚循环系统模型，对CFETR的氚自持作出了评估，分析给出了给定设计参数下CFETR实现氚自持要求的最小氚初始启动投料量及最小氚增殖率，CFETR各氚循环子系统稳态下的氚滞留量、氚泄露速率及自持要求的氚处理能力，以及各氚循环子系统内的氚滞留量随时间的变化。
　　同时基于聚变堆氚循环系统模型，对评估CFETR氚自持的两个关键参数，最小氚初始启动投料量及最小氚增殖率进行了参数敏感性分析。将聚变堆内对氚自持存在影响的参数分为两类:堆芯等离子体燃烧参数及外部氚循环系统参数，其中堆芯等离子体燃烧参数包括氚燃耗份额、加料效率、燃烧时间比及系统可用度，外部氚循环系统参数包括各子系统的平均滞留时间、非放射损失比例及氚渗透转移比例，分析了以上两类参数对氚自持要求的最小氚初始启动投料量及最小氚增殖率的影响规律。最后分析了氚自持对氚循环系统氚处理能力的要求及影响规律。
　　最后基于渗透扩散原理和质量平衡原理建立了CFETR氦冷固态包层氚循环模型。模型考虑了不同化学形式的氚在包层结构材料及包层辅助系统间的渗透转移过程，考虑了包层结构参数、工况参数对包层氚循环的影响。通过包层氚循环计算分析，获得了包层内部不同位置的氚滞留量、包层氚提取速率及包层氚泄露速率。最后分析了包层工况参数，包括防氚渗透因子、氚提取系统及冷却剂净化系统氚提取效率、冷却剂净化系统氚处理比例及吹扫气流量，对氚提取系统、氚提取速率及氚泄露速率的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 氘氚聚变堆简介

1．1．2 氚增殖包层简介

1．1．3 氚的特性

1．2 氚循环研究方法

1．2．1 聚变堆氚循环研究目的及方法

1．2．2 包层氚循环研究目的及方法

1．3 国内外氚循环系统模型

1．3．1 聚变堆氚循环模型

1．3．2 氚增殖包层氚循环模型

1．4 论文研究内容及意义

第二章 氚循环模型建立及计算方法

2．1 聚变堆氚循环模型

2．1．1 ITER氚循环系统简介

2．1．2 聚变堆氚循环模型建立

2．2 氚循环数值计算方法

2．2．1 氚循环计算方程

2．2．2 平均滞留时间方法修正

2．2．3 最小初始启动投料量和最小氚增殖率计算

2．3 本章小结

第三章 CFETR氚自持评估及影响因素分析

3．1 CFETR氚自持参数评估

3．1．1 最小初始启动投料量和最小氚增殖率

3．1．2 子系统稳态氚滞留量，氚泄露率，氚处理能力

3．1．3 子系统瞬态氚滞留量

3．2 氚自持影响因素分析

3．2．1 氚自持影响参数分类

3．2．2 堆芯等离子体燃烧参数对氚自持的影响

3．2．3 外部氚循环系统参数对氚自持的影响

3．3 氚自持下氚循环系统氚处理能力影响分析

3．4 本章小结

第四章 CFETR氦冷固态包层氚循环

4．1 CFETR氦冷固态包层氚循环模型

4．1．1 CFETR氦冷固态包层简介

4．1．2 CFETR氦冷固态包层氚循环模型

4．2 CFETR氦冷固态包层氚循环模拟计算

4．2．1 氚循环计算模型简化

4．2．2 氚质量平衡方程

4．2．3 CFETR氦冷固态包层参数

4．3 CFETR氦冷固态包层氚循环分析

4．3．1 包层氚滞留量，氚提取及氚泄露速率

4．3．2 包层氚提取及氚泄露速率影响因素分析

4．4 包层氚循环模型与聚变堆氚循环模型耦合

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其它研究成果

在读期间获奖情况