脉冲聚变堆氚循环模型的研发与应用

摘要

氘-氚聚变反应达到点火条件所需的“聚变三重积”最低，因而被认为是最容易首先实现应用的聚变反应。然而，1 GW的聚变功率每年将燃耗约55.6 kg氚，自然界的氚极为稀缺（约3.5 kg），难以利用，因而聚变堆氚供给成了聚变研究的关键问题之一。外源生产氚不但价格昂贵且受政策管制，现有的聚变堆设计通常采用包层增殖的方式来产氚，通过氚循环系统来保证氚的稳定加料与回收，但同时各个子系统不可避免地存在氚泄漏和滞留等问题，以及盘存氚带来的安全问题。因此，需要对氚循环进行研究，研究的主要内容应包括:(1)氚自持，要求增殖氚应既能满足燃耗又能填补泄漏、滞留、衰变等损失，将决定整个聚变堆能否长期运行;(2)各子系统的氚盘存量，随时间的变化关系将决定特定时刻的氚源项，影响事故状态下的安全问题;(3)最小初始投料量，决定氚的初始投资成本，影响聚变堆的经济性。世界各国在稳态聚变堆氚循环分析方面已较为成熟，但对脉冲聚变堆的氚循环分析重视不够。而脉冲运行是聚变堆实现稳态运行前必要的探索阶段，因此研究脉冲聚变堆的氚循环比稳态聚变堆氚循环研究更加紧迫。为了探明脉冲运行模式对氚循环分析造成的具体影响，开发一种可用于脉冲模式的动态氚循环模型显得尤为重要。
　　本文依据国际上氚循环模型研究的最新进展及经验，参考ITER氚循环设计，增加聚变增殖包层的增殖环节，采用系统动力学方法构建了氚循环研究模型。本模型能够分析脉冲/稳态两种运行模式，既能模拟短时间尺度（秒/分/时）下各个子系统氚盘存量的精细涨落，又能分析长时间尺度（年）下氚循环的自持状态，给出聚变堆所需的最小初始氚投料量。本模型分别与TAS1.0、TRIMO开展了稳态、脉冲运行状态的校验工作，结果表明，两种运行状态下本模型均具有良好的可用性和准确度。随后，根据氚自持的主要影响因素，得了到用于氚自持/敏感性分析的简化系统动力学分析模型。
　　本文选取典型脉冲聚变堆设计参数作为模型输入，对脉冲/稳态运行方案各氚循环子系统的盘存量、最小初始投料量和包层所需氚增殖率开展模拟研究，得到了不同脉冲长度(燃烧时间:450s，3000s;等待时间:450s/1350s，3000s/9000s)燃烧方案下子系统氚盘存量随时间变化的精细曲线。同时分析得出，(1)燃烧方案的选取将影响第一壁清洗策略;(2)脉冲方案比稳态方案所需的最小初始投料量略小;(3)包层所需氚增殖率大小与燃烧方案基本无关。其次，以TBRreq/最小初始投料量为因变量，采用简化模型对氚自持影响因素进行了敏感性分析。结果显示，燃烧可用度、燃烧份额和系统饱和滞留量是TBRreq最关键的影响因素;影响最小初始投料量的关键因素为燃烧份额和系统饱和滞留量。立足现有技术，仍应继续提高相关参数才能保证未来聚变堆的氚自持。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 聚变能与脉冲聚变堆

1．1．1 聚变能优势和特点

1．1．2 脉冲聚变堆简介

1．2 脉冲聚变堆氚循环研究进展

1．2．1 聚变堆闭式氚循环简介

1．2．2 国内外氚循环分析研究现状

1．3 本文研究意义及主要内容

第2章 脉冲聚变堆氚循环模型开发

2．1．1 加料系统

2．1．2 等离子体环面

2．1．3 氚工厂子系统

2．1．4 冷却剂净化系统与氚提取系统

2．2 系统动力学方法与平台

2．3 脉冲聚变堆氚循环模型

2．3．1 氚循环分析模型

2．3．2 氚自持简化分析模型

第3章 脉冲聚变堆氚循环模型校验

3．1 稳态模式校验

3．1．1 TAS1．0简介

3．1．2 测试例题

3．1．3 测试结果

3．1．4 分析与总结

3．2 脉冲模式校验

3．2．1 TRIMO简介

3．2．2 测试例题

3．2．3 测试结果

3．2．4 分析与总结

第4章 脉冲聚变动力堆氚循环分析

4．1 典型脉冲聚变堆氚循环模拟

4．1．1 典型脉冲聚变堆参数

4．1．2 氚循环模拟

4．2 氚自持与敏感性分析

4．2．1 氚自持影响因素研究现状

4．2．2 氚自持影响因素敏感性分析

4．3 小结

第5章 总结与展望

5．1 论文内容总结

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他研究成果