磁约束聚变堆包层瞬态安全特性分析研究

摘要

包层是影响聚变堆安全最关键的部件之一，兼具产氚、排热以及包容放射性物质的功能，因此包层的安全决定着聚变堆的安全。瞬态安全分析是获得建造和运行许可证的必要条件之一。本文从聚变堆安全目标出发，利用基于功能的安全分析方法对聚变堆不同包层的瞬态安全进行分析，找出影响聚变堆安全最重要的因素和实现安全目标的关键途径。
　　 本研究通过对聚变堆安全原理的分析，给出了聚变堆安全目标、安全功能以及实现安全功能的手段。使用“安全流”(Safety Flow)的方法研究对放射性物质的包容功能，给出了执行包容功能的系统以及构筑物和相应的安全要求。详细描述了安全设计原则的实施以及聚变堆瞬态安全分析方法。将聚变堆包层瞬态安全分析方法应用到ITER双功能锂铅实验包层系统(DFLL-TBM)和聚变驱动次临界堆FDS-I双冷嬗变包层(DWTB)瞬态安全分析中，研究瞬态工况下包层的安全特性。利用故障模式影响分析方法找到具有包络性的参考事件，使用有限元分析程序ANSYS对ITER DFLL-TBM的在事故状态下的温度变化进行计算，并对事故造成的压力和相应的化学反应以及放射性释放进行分析，验证了DFLL-TBM安全性。使用中子学与热工水力学耦合分析程序NTC2D以及ANSYS对FDS-I双冷嬗变包层典型事故进行分析，评价了反应堆中子学与热工水力学耦合作用对次临界堆包层安全的影响，研究了次临界包层对聚变堆安全的影响以及次临界包层特殊的安全原理。通过对不同类型的包层概念在安全原理上进行评价，探讨了包层结构材料、增殖材料、冷却剂以及冷却方式的差异在放射性总量控制、放射性物质包容、化学能控制、余热排出以及缓解事故后果方面对聚变堆瞬态安全的影响，从源头上找到了提高聚交堆包层瞬态安全性的手段。

目录

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第一章 引言

1.1聚变堆包层相关背景

1.1.1聚变能原理

1.1.2国际热核实验堆ITER和实验包层

1.1.3聚变驱动次临界堆与嬗变包层

1.1.4聚变发电反应堆与增殖包层

1.2聚变堆包层瞬态安全研究的意义和现状

1.3论文研究目的与内容

第二章 安全原理与瞬态分析方法

2.1概述

2.2安全目标和原理

2.2.1安全目标

2.2.2安全原理

2.3放射性物质总量控制

2.3.1氚

2.3.2放射性活化产物

2.3.3活化腐蚀产物

2.3.4裂变放射性物质

2.4放射性物质以及危险物的包容

2.4.1执行包容功能的系统和构筑物

2.4.2包容屏障的要求

2.5包容屏障的保护

2.5.1排热

2.5.2冷却剂焓控制

2.5.3化学能控制

2.5.4磁能控制

2.5.5监控

2.6聚变驱动次临界堆安全特点

2.7主要安全系统

2.7.1聚变堆功率停闭系统

2.7.2余热排出系统

2.7.3通风除氚系统

2.8瞬态安全分析方法

2.9小结

第三章 ITER双功能锂铅实验包层系统瞬态安全分析

3.1概述

3.2 DFLL-TBM系统描述

3.2.1设计要求

3.2.2结构设计方案

3.2.3辅助系统

3.3放射性源项控制原理

3.4设计基准事故选择

3.4.1 假设始发事件选取

3.4.2参考事件选取

3.4.3设计基准事故序列确定原则

3.5事故分析

3.5.1源项

3.5.2热分析模型

3.5.3真空室内部冷却剂泄漏事故分析

3.5.4 TBM内部冷却剂泄漏事故分析

3.5.5真空室外部冷却剂泄漏事故分析

3.6小结

第四章 聚变驱动次临界堆嬗变包层瞬态安全分析

4.1概述

4.2系统描述

4.3计算程序和模型

4.3.1计算程序

4.3.2计算模型和条件

4.4设计基准事故分析

4.4.1等离子体过功率

4.4.2无保护反应性过功率

4.4.3有保护失流事故

4.4.4有保护丧失冷却剂事故

4.4.5有保护丧失热阱事故

4.4.6过冷事故

4.5严重事故分析

4.5.1无保护失流事故

4.5.2无保护丧失冷却剂事故

4.5.3包层坍塌极限事故

4.6小结

第五章 包层类型对瞬态安全的影响

5.1概述

5.2结构材料的影响

5.3氚增殖剂和中子倍增剂影响

5.3.1氚存量和渗透

5.3.2活化特性

5.3.3化学反应

5.4冷却剂与冷却方式的影响

5.5小结

第六章 总结和展望

6.1论文总结

6.2特色与创新

6.3展望

参考文献

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致谢