（核能科学与工程专业论文）聚变堆液态锂铅包层新概念设计研究.pdf

摘要 摘要 在聚变堆研究中，包层主要作用是将聚变粒子能量转换为可利用能量同时增 殖氚以维持聚变反应，其相关技术是聚变能最终走向商业应用的关键核心技术之 一。而液态锂铅增殖包层由于具有许多与人类发展聚变能总目标相关的优点而具 有非常大的吸引力，使其成为聚变堆研究的重要方向。 在广泛调研国际聚变包层发展状况基础上，论文提出了f d s ( f u s i o nd e s i g n s t u d y ) 聚变堆液态锂铅包层概念的发展思路，从技术实现的可行性到追求高先进 性逐级递进，先后设计研究了低温、高温、超高温系列锂铅包层概念。 低温锂铅包层采用氦气单冷、锂铅准静态流动方案，氦气带走包层结构和增 殖剂锂铅的所有热量，锂铅准静态流动仅用于进行氚提取，锂铅最大出口温度只 有4 5 0 c 左右，较低的锂铅温度对材料的腐蚀较小，较低的锂铅流速导致的液态 金属的磁流体动力学( m h d ) 效应较小，因此从技术实现的角度，低温锂铅包 层主要强调技术实现可行性。 高温锂铅包层采用氦气和锂铅双冷包层概念，氦气仅带走结构的热量，锂铅 兼氚携带剂同时实现自冷，锂铅最大出口温度设计为7 0 0 ( 2 左右，快速流动的锂 铅可能会导致较大m h d 效应，因此高温锂铅包层从技术实现可行性上有一定 的难度，但从先进性而言具有较大的吸引力，较高的出口温度可以达到更大的热 电转换效率，从而提高今后聚变电站的经济效益和竞争性。 为了进一步提高包层的热电转换效率，获得极高温热，设计了冷却剂出口温 度在1 0 0 0 左右的超高温锂铅包层概念。包层设计采用较成熟的材料技术而追 求更高先进性的目标，通过创新的冷却剂流道设计获得超过结构材料最大温度限 制的高温热流体。较高先进性的包层在技术可行性上更具难度，但有更加诱人的 应用前景，可广泛应用于制氢领域。 。 论文系列研究了低温、高温、超高温液态锂铅包层新概念设计，提出了每种 包层的设计原则，给出了每种包层的参考设计方案，并通过理论分析和数值模拟 对各设计概念进行了可行性论证。 关键词：聚变堆；液态锂铅包层；热工水力学分析；磁流体动力学效应 本论文是在国家自然科学基金项i 署( n o 1 0 6 7 5 1 2 3 ) ，中科院知识创新工程项目资助下开展研究 a b s t r a e t a b s t r a c t h o n g l ic h e n ( m a j o r ：n u c l e a rs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y i c a nw u i nt h es t u d yo ft h ef u s i o nr e a c t o r , t h eb l a n k e ti sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n tw h o s e f u n c t i o ni st ot r a n s f e rt h ef u s i o np a r t i c l ee n e r g yt ot h ea v a i l a b l ee n e r g ya n db r e e d t r i t i u mf o rm a i n t a i n i n gt h ef u s i o nr e a c t i o n t h eb l a n k e t - r e l a t e dt e c h n o l o g yi so n eo f t h ek e yi s s u e si nt h ef u t u r ec o m m e r c i a lf u s i o ne n e r g y t h el i q u i di i t h i u ml c a d ( l i p b ) b r e e d i n gb l a n k e t , i np a r t i c u l a r , h a sas t r o n ga p p e a lt or e s e a r c h e r si nt h ef i e l do ft h e f u s i o ns t u d y , o w i n gt oi t sa d v a n t a g e sc o n f o r m i n gt ot h eu l t i m a t eg o a lo ft h ef u s i o n e n e r g yd e v e l o p m e n t b a s e do nas y s t e m a t i ca n de x t e n s i v es t u d yo nt h el a t e s td e v e l o p m e n to ff u s i o n b l a n k e ti nt h ew o r l d t h ed e v e l o p i n gs t r a t e g yo f t h el i q u i dl i p bt r i t i u mb r e e d e rb l a n k e t h a sb e e np r o p o s e di n t h i sp a p e r as e r i e so ft h el i q u i db l a n k e tc o n c e p t u a ld e s i g n ss u c h 舔l o wt e m p e r a t u r el i p bb l a n k e t h i g ht e m p e r a t u r el i p bb l a n k e ta n ds u p e r - h i g h t e m p e r a t u r el i p bb l a n k e th a v eb e e nd e s i g n e da n da s s e s s e df r o mt h ep e r s p e c t i v e so f t h ef e a s i b i l i t yo ft h et e c h n o l o g yi m p l e m e n t a t i o nt ot h ep u r s u i to fa d v a n c eo ft h e t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t l o wt e m p e r a t u r el i p bb l a n k e ta d o p t sh e - c o o l e dq u a s i - s t a t i cl i p bf l o ws c h e m e i nt h eb l a n k e td e s i g n h eg a si su s e dt ot a k eo u ta l lt h en u c l e a rh e a tf r o mt h ef i r s tw a l l b l a n k e ts t r u c t u r ea n dl i q u i db r e e d e rl i p b a n dl i p bf l o w ss l o w l yo n l yt oe x t r a c t t r i t i u m t h em a x i m u mo u t l e tt e m p e r a t u r ef o rl i p bi sa b o u t4 8 0 w h i c hl c a d st o l i t t l ee r o s i o nt os t r u c t u r a lm a t e r i a ld u et ol o wl i p bo u t l e tt e m p e r a t u r ea n dl i t t l e m a g n e t o h y d r o d y n a m i e sm e f f e c td u et ol o wl i p bf l o wv e l o c i t y s ot h el o w t e m p e r a t u r el i p bb l a n k e tc o n c e p tc a nb ed e v e l o p e df a i r l ye a s i l y f o rt h eh i g ht e m p e r a t u r el i p bb l a n k e td e s i g n h eg a si su s e dt oc o o lb c i t ht h e f as tw a l la n db l a n k e ts t r u c t u r e a n dt h el i q u i dl i p bi ss e l f - c o o l i n ga n da l s oat r i t i u m e x t r a c t o rw i t hah i g ho u t l e tt e m p e r a t u r eu pt o7 0 0 m h de f f e c ti sak e yi s s u ei n t h i sb l a n k e td e s i g nd u et ot h eq u i c kf l o w i n gl i p bi n t e r a c t i o nw i t ht h ef u s i o nm a g n e t i c f i e l d s ，s ot h ef e a s i b i l i t yo ft h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tf o rt h i sb l a n k e td e s i g ns h o u l d b ef u r t h e ra s s e s s e da n dv a l i d a t e d t h i sb l a n k e tc o n c e p ti sa p p e a l i n gc o m p a r e dw i t h t h el o wt e m p e r a t u r eb l a n k e td e s i g nb e c a u s et h eh i g h e re i p bo u t l e tt e m p e r a t u r el c a d s t oah i g h e rt h e r m a le f f i c i e n c y , w h i c hi sm o r ec o m p e t i t i v ei nt h ef u t u r ef u s i o np l a n t d e v e l o p m e n ti nt e r m so f t h ee c o n o m i cb e n e f i t t h es u p e r - h i g ht e m p e r a t u r el i p bb l a n k e tc o n c e p t u a ld e s i g nw i t hl i p bo u t l e t t e m p e r a t u r ea b o u t 10 0 0 h a sb e e np r e s e n t e dt of u r t h e ri m p r o v et h et h e r m a l e 伍c i e n c yo f t h eb l a n k e ta n do b t a i n i n gh i g h e rt e m p e r a t u r eh e a t a ni n n o v a t i v ec o o l a n t f l o wc h a n n e ld e s i g ni su s e dt oo b t a i nh i g ht e m p e r a t u r eh e a tb a s e do nt h er e l a t i v e l y m a t u r es t e e la si t ss t r u c t u r e lm a t e r i a l c o m p a r e dw i t ht h ef o r m e rt w oc o n c e p t s t h i s b l a n k e tc o n c e p ti sm o r ed i 伍c u l tt ob ea c h i e v e db u tm o r ea d v a n c e da n dp r o m i s i n g i t c a nb ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fh y d r o g e np r o d u c t i o n as e r i e so ft h el i q u i dl i p bb l a n k e tc o n c e p t s 1 0 wt e m p e r a t u r el i p bb l a n k e t , h i g h t e m p e r a t u r el i p bb l a n k e ta n ds u p e r - h i g i lt e m p e r a t u r el i p bb l a n k e th a v e b e e n a b s t r a c t p r o p o s e d ，t h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r a ld e s i g ns c h e m ef o rt h e s ec o n c c p t s h a v eb e e ns t u d i e di nt h ep a p e r t h ef e a s i b i l i t yo ft h e s ec o n c e p t u a ld e s i g n sh a v eb e e n v a l i d a t e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e yw o r d s ：f u s i o nr e a c t o r ；, l i q u i dl i p bb l a n k e t ；n e u t r o n i c s ；t h e r m a l - h y d r a u l i c s a n a l y s i s ；m a g n e t o h y d r o d y n a m i c se f f e c t t h i sw o r kh a sb e e ns u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n aw i t ht h e g r a n tn o 1 0 6 7 5 1 2 3a n dk n o w l e d g ei n n o v a t i v ep r o g r a mo f t h ec h i n e s ea c a d e m yo f s c i e n c e m 声明 声明 本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知 识产权归属于培养单位。 本人签名：日期： 第一章引言 第一章引言 本章叙述了包层在聚变堆发展中的主要作用，概述了国际上聚变堆包层的发 展现状和研究特点，特别是国际上较具规模的几大聚变堆液态锂铅包层设计的研 究状况和发展历史。介绍了中国关于液态锂铅包层的研发状况，提出了液态锂铅 包层概念设计的发展思路。本章的最后介绍了论文的研究内容和学术意义。 1 1 包层在聚变堆中的作用 能量是人类社会得以维持和发展的基础，随着国民经济的发展，社会对能源 的需求越来越大，而地球上可以提供的能源资源是有限的，必须大规模开发各种 清洁和可持续发展的能源，对中国和亚洲等能源需求巨大的发展中国家和地区来 说，尤其有特别重要的意义。 聚变能是一种几乎用之不竭的清洁能源，氘氚聚变反应可以释放出大量能 量，其燃料在地球上储量极为丰富，不产生硫、氮氧化物等环境污染物质，不释 放温室效应气体；氘氚反应产生的中子对反应堆结构材料的活化也只产生少量较 容易处理的短寿命放射性物质，可以说聚变能是无污染、无长寿命放射性核废料、 资源丰富的理想能源，是目前认识到的可以最终解决人类社会能源和环境问题、 推动人类社会可持续发展的最重要的途径之一。因此，研究核聚变，开发核聚变 能具有重大科学意义和战略意义n 删。 近几十年来，t o k a m a k 聚变实验和理论研究取得了巨大的进展，聚变能实现 的科学可行性已得到验证，然而在它获得最终商业应用前还需要大量的研究工 作，其中最重要的是必须解决两大类核心技术，一类是等离子体控制相关技术， 另一类就是包层相关技术。 在聚变反应堆中，包层是实现高环境适应性和低发电成本的聚变能应用的关 键能量转换部件。包层是把锂装在其模块中，中子和锂反应生成氚，氚提取分离 后再反馈到等离子体中以维持自持。同时中子的能量通过冷却剂引出用以驱动发 电机发电。这就是说，包层的主要作用是将聚变粒子能量转换为可利用能量同时 增殖氚以维持聚变反应，集氚增殖、能量提取与转换、辐射屏蔽等功能为一体的 部件，在聚变实验装置中它同时也是进行高能中子辐照等多种物理场作用下的聚 聚交堆液态锂铅包层新概念设计研究 变材料综合实验的必要场所。显然，包层技术是聚变能最终走向商业应用的关键 核心技术，是决定聚变堆工程成败的核心技术之一。 目前国际上非常重视包层技术的研究与发展，由欧共体、日、俄、中、美、 韩、印七方共同签署的重大国际合作计划“国际热核实验堆i t e r ( i n t e r n a t i o n a l t h e r m o n u c l e a re x p e r i m e n t a lr e a c t o r ) 主要目标之一就是为了验证未来示范堆 ( d e m o ：d e m o s t r a t i o np o w e rr e a c t o r ) 和商用聚变堆包层和材料的一些关键技 术，计划在i t e r 装置赤道平面位置上设计三个实验包层模块( 即 i b m ：t e s t b l a n k e t m o d u l e ) 窗口，分别进行不同概念和不同目标的增殖包层模块实验。 1 2 包层概念的分类与特点 聚变堆包层概念类型很多，根据氚增殖剂的形态，包层大体分为两类：即固 态增殖包层和液态增殖包层。其中固态包层的氚增殖剂材料一般有氧化锂 ( l i 2 0 ) ，硅酸锂( l h s i 0 4 ) ，和钛酸锂( l i 2 1 r i 0 3 ) 等；中子倍增剂材料有铍( b e ) ； 冷却剂有氦气和水等；结构材料有铁素体钢、钒合金和碳化硅复合材料( s i c s i c ) 等。液态包层的氚增殖剂材料一般有液态金属锂铅共晶体( l i p b ) ，纯液态金属 锂( l i ) ，和氟锂铍( f l i b e ) 等；冷却剂有氦气、水和液态增殖剂( 如l i p b 、l i 、 f l i b e ) 等；结构材料同样有铁素体钢、钒合金和s i c s i c 复合材料等。 相对于固态增殖包层，液态增殖包层由于具有许多与人类发展聚变能总目标 相关的优点而具有非常大的吸引力，这些优点包括： ( 1 ) 液态材料具有很好的对t o k a m a k 复杂几何的适应性，而其制造无需复 杂的机械加工过程； ( 2 ) 液态增殖剂具有高的氚增殖能力，而无需在包层内专门安排高成本的 中子增殖剂( 如b e ) ； ( 3 ) 液态增殖剂由于具有很好的导热和载热能力，因而允许设计高功率密 度、高热效率的包层方案； ( 4 ) 液态金属增殖剂本身也是氚循环载体，加之氚在其中的溶解度很低， 可以设计实时在线的氚提取系统，因而减少了包层更换频率，提高了堆的可用性； ( 5 ) 液态金属循环系统的存在可以实时在线补充消耗掉的l i 6 同位素，因此 液态金属增殖剂是一种无寿命限制的增殖材料。 2 第一章引言 在液态增殖包层中，由于金属l i 活性高、水反应强烈且与氚相容性高难以 分离，而熔盐f l i b e 相关材料还很不成熟，目前技术相对成熟且最具应用潜力的 是液态锂铅增殖剂材料，其特性有： ( 1 ) 与水、空气等化学活泼性不高。液态锂铅的活度相对较低，与空气、 水蒸气以及水的反应都比较弱，没有起火的危险性，而且产氢率比较低，相对于 液态锂而言，产氢率低两个量级。对于熔盐f l i b e 而言，与水、空气反应产生h f 对结构材料有腐蚀作用h 1 。 ( 2 ) 氚在锂铅溶解度较低，易于氚的提取。氚在锂铅中的增殖能力较高， 但氚在锂铅中的溶解度很低，氚压较高。当锂铅的温度在5 0 0 。c 左右时，0 1 a p p m 浓度的氚偏压为2 8 p a ，而当锂的温度在5 0 0 c 左右时，o 1 a p p m 浓度的氚偏压仅 仅只有3 4xl o - p a ，可见氘在锂铅的溶解度远远低于氚在锂的溶解度嘲，由于氚 偏压较高，这样就可以通过目前技术比较成熟的气相方法( 鼓泡器) 或使用渗透 窗的方法进行氚提取。 。 ( 3 ) 与l i 相比电导性不高，因而m h d 效应相对较弱。液态金属在聚变堆强 磁场环境下流动会产生感应电流，进而产生阻碍流动的洛仑兹力，导致磁流体动 力学( m h d ：m a g n e t o h y d r o d y n a m i e s ) 效应，即增加锂铅流动的阻力，增加泵的 驱动功率，同时改变流动速度，影响传热的效果旧。与液态金属锂相比，锂铅导 电性能较低，因此相应的m h d 效应也较弱。 - 料 ( 4 ) 锂铅作为氚增殖剂和中子倍增剂的同时，也可作为冷却剂。由于锂铅 载热能力强，使包层具有自冷功能，可实现较高的核热功率密度设计。同时液态 锂铅可以兼具几种功能，简化了包层结构设计。液态金属锂铅能够方便在线补充， 使得包层的氚增殖率和中子倍增率始终保持在合适的范围内，维持包层的稳定运 行。 因此，由于以上诸多优点和远景诱人的发展潜力，液态锂铅包层有着巨大的 近期和长期研究应用前景，因此成为目前包层概念设计的主要候选包层方案之 一 1 3 液态锂铅包层在国际上的发展状况 国际上聚变堆包层概念研究中使用液态锂铅包层设计方案有很多，本节主要 介绍目前国际上较具规模的几大聚变堆液态锂铅包层设计的研究状况和发展历 3 聚交堆液态锂铅包层新概念设计研究 史，以及给出国际上典型的液态锂铅包层的主要设计特点和设计发展的总体概 念。 ( 1 ) 美国 美国聚变堆概念设计a r i e s ( a d v a n c e dr e a c t o ri n n o v a t i o na n de v a l u a t i o n s t u d y ) 忉研究计划于1 9 9 0 年在美国能源部聚变能办公室资助下i 扫s a nd i e g o 领导 多个机构参加的国家研究项目，主要任务是进行先进聚变电站堆概念设计，探索 聚变能发展潜力并给出关键技术的研发方向。十几年来提出一系列聚变概念堆设 计( 命名为a e s i ，i i ，i i i ，i v ，s t ，r s ，a t ，c s ) ，其中自勺液态锂铅包层 概念有球环t o k a m a k 聚变堆a r i e s s t 的双冷锂铅包层( 图1 3 - l 为a r i e s - s t 外 包层横截面图) ，以及先进技术先进概念聚变堆a r i e s a t 的自冷锂铅包层( 图 1 3 - 2 为a r i e s a t 的外包层横截面图) 等。随着美国聚变能的研究发展，尤其是后 期，为进一步适应高功率密度、高温度与高热转换效率的要求，越来越重视液态 锂铅包层的研究，可以看出，在a r i e s 系列的后期研究中，主要以发展液态锂铅 包层为主。 紧凑型球型t o k a m a k a 聚变堆a r i e s s t 采用双冷锂铅液态包层呻1 ，液态金属 锂铅作为氚增殖剂和冷却剂进行自冷却，同时氦气用来冷却结构材料o d s ( o x i d e d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n e d ) 低活化铁素体钢，另加碳化硅流道绝缘插件f c i ( f l o w c h a n n e li n s e r t ) 。a r j e s a t 是一种先进技术先进t o k a m a k 堆型，它的包层概念设 计是自冷锂铅液态包层1 ，氚增殖剂和冷却剂也是采用液态金属锂铅，结构材料 选用是的较先进的碳化硅复合材料。 为了提高经济效益和竞争性，美国同时提出了采用低活化铁素体钢作结构材 料追求高温度与高热转换效率的双冷包层概念n 叫，采用低活化铁素体钢作结构材 料，以高压氦气冷却结构，带走结构所有核热和等离子体第一壁表面热流，液态 锂铅快速流动带走锂铅自身核热，在极向锂铅流道内放置耐高温的流道插件，这 样锂铅出口温度可以达到7 0 0 左右。图1 3 3 为外包层横截面示意图。 美国加入i t e r 国际合作计划，发展了以双冷锂铅概念为主的实验包层模块 d c l l t b m ( d u a l c o o l a n tl i t h i u ml e a d t b m ) n ”，用来研究和验证双冷锂铅包 层相关的工程技术。d c l l - t b m 与双冷包层设计概念一样，采用氦气锂铅双冷设 计方案，以高压氦气冷却结构，液态锂铅快速流动带走锂铅自身核热，在锂铅流 4 第十0 】二 道内部增加热电绝缘的耐高温插什咀提高冷圭剂的出口温度和降低锂铅流动的 磁流体压降，罔13 - 4 为d c l l t b m 实验乜层模块设训的小意图。 罔i3 一la r i e s s t 外包层棰截面示意图 ”鸯 圈l3 - 2 a r i e s a t 外包层横截面示意囝 t 图】3 - 3 外包层横截面示艋图罔l3 4 茏围d c l l - t b m 模块不意l 目 ( 2 ) 欧洲 欧洲最为系统的聚变电站堆研究训划p p c sf p o w e rp l a n tc o n c e p t u a l s t u d y ) ”的四种聚变电站模型( a 、b 、c 、d ) 中，除- j b 模型外，其余三个模型 的包层均是液态包层。a 模型是在现有物理和技术方面的较小外推，对应的是水 玲锂铅( w c l l ：w a t e r - c o o l e dl e a d l i t h i u m ) 包层”，液态锂铅作为增抽! i 材料， 结构材料采， 】低活化e u r o f e r 钢”，并在管道内使_ r i 】a 1 2 0 ，涂层用作氚渗透壁垒， 冷却荆采用1 5 m p a 的水，进出口温度分别是2 6 5 0 c 和3 2 5 。c ；b 模型包层概念是 氨冷球床( h c p b ：h e l i u mc o o l e dp e b b l eb e d ) 包层”。它采用锂陶瓷如l i 4 s i 0 4 作 增殖剂材料结构材料选j j e m o 佬r 钢，b e 作中了倍增剂8 m p a 的高压氮气作为 冷却剂冷却结构材料和增殖材料等。c 和d 模型均是在物理和技术方面的先进外 女杏* * h * h 2 # 日r 推，允许较高的电站效率，其中，c 模型对应的是双冷氨锂铅( d c ：a d v a n c e dd u a l c o o l a n t ) 包层”( 如图l3 - 5 所示) ，具有氮气和液态锂铅取冷却系统液态锂锚 作为增殖荆材料叉作为冷却剂实现自冷功能，结构材料是e u r o f e r 钢，使用碳化礴_ 流道插件，有着高效率的功率转换系统。d 模型为展先进的聚变堆模型对应的 是自冷锂铅包层”( 如t a u r o ，见图i3 - 6 所示) ，液态金属锂铅在包层中既作为 氚增殖剂同时又作为冷却剂来冷却包层结构和自身产生的核热，碳化硅作结构材 料，热电转换效率高，经济性能好冷却荆的出口温度最高( 达9 5 0 0 ) 。 吲l3 - 5 d c 外包层中赤道平面模块 削1 3 4 5 t a u r o 外包层模块示意剿 最近欧洲发展研究了氨冷锂铅( h c l l ：h e l i u mc o o l e dl e a dl i t h i u m ) 包层 1 。”，液态金属锂铅做氚增殖剂，高压氮气做冷却剂，用米冷却结构材料和增殖剂 e 的核热结构材料采用e u r o f e r 钢。在欧洲的聚变堆包层研究叶1 ，所有的液态包 层均采用用液态金属锂铅作氚增殖剂材料，在d c a d c 和t a u r o 两个包层内， 液态锂铅不仅作氚增殖剂还作冷却荆其有较高的速度在包层内流动。 同时为了研究和验证欧洲氨气单冷锂铅包层的相关的工程技水，欧洲在参与 国际i t e r 项日时提出了氨冷铿铅实验包层模块h c l l - t b m ”。该实验包层模块 采用氮气单冷设计方案，即冷却剂氦气冷圭_ j 整个包层的热量也括结构核热、第 壁热流以发增殖区锂铅核热，锂铅缓慢流动仅用于氚提取，整个包层模块的设 引与氰冷锂铅包层的设训基本一致如| 芏| 13 - 7 为欧洲h c l l - t b m 模块设计示意 图。 图i3 - 7 欧洲h c l l - t b m 模块i 意图 ( 3 ) 日本 日本的聚变电站堆和示范堆的研究虽然多以固态增殖剂包层为主，但现在 更多研究和参与其他国家研究被态包层的发展。晟近几年j a e a ( j a p a na t o m i c e n e r g y a g e n c y ) 研究设计的非常紧凑的t o k 帅a k 聚变堆v e c t o r ，包层概念设计 是采用液态金属锂铅作增殖剂和冷却剂碳化硅复台材料作结构材料削。 4 ) 印度 印度近两年加入i t e r 计划，提出了采用氨气和锂铅双冷的渡态锂铅和固态 陶瓷同时作为氚增碴的实验包层模块l l c b - i b m ( l i t h i u ml e a dc e r a m i c b r e e d e r - t b m ) 4 ”，氦气冷却结构第壁，而锂铅以较快速度流动同时带走锂铅 本身的核热和固态陶瓷的核热。因此该模块设计虽然不完全属于渡态锂铅包层系 列，但其兼有液态锂铅包层概念的所有技术问题。如磁流体动力学问题，锂铅高 温腐蚀问题等等。图13 - 8 为l l c b t b m 模块设计示意图。 襄女堆# 卷* 镕包目* # e * 研r 图13 - 8 印度l l c b t b m 模块设计示意幽 表l3 - 1 给出了国际典型的液态锂铅包层的设计概念以及对麻的包层结构 材料和冷却剂的选择表l3 - 2 给出了目前国际上参与i t e r 项目的锂铅实验包 层模块设计概念( 为了完整起见，表中也包括了下面即将讨论的中国锂铅包崖的 设计概念和中国i t e r 赦态锂镪实验包层模块d f l l - t b m 的设计概念) 。 表i3 1国际上典型的液态锂铅概念包层概念 包层名称国家，地区结构材料j f | 【增殖剂冷却剂 p p c s 堆氮冷锂钳包层 欧洲e a r o 席r 9 7 l i f bh e ( h c l l ：i i c d “l i p b ) p p c s 堆取冷包层 欧洲 e u r o 盎r 9 7 o d s l i p bh “l i p b r d c ：h e , l i p b d u a l - c o o l e d p p c s 堆白冷锂铅包层 欧洲s i c 嘏l cl l p b l i p b ( t a u r o ) a r e i s - a t 堆自持锂铅包层 美国s i c d s i cl i p b l i p b a r e i s s t 堆双冷锂铅包层 美国 o d s l i p b h e ，l l p b 双冷锂铅包层 美国f c m t i c 钢l l p bh “l i p b ( d c l l ：h 叽肪1 ) t u d - c o o l 鲥) v e c t o r 锉铅包层 h 本v 合金r a f ml i p bl i p b f d $ 1 堆取冷嬗变包层 ( d w t ：d u a l - c o o l e d w a s c 中国c l a m 钢l l p bh c ，l i p b t r u t a t i ( m ) 第一章引言 f d s s t 紧凑型聚变堆次临 界锂铅包层和中心导体柱 中国c l a m 钢l i p bl i p b c c p ( c e n t e rc o n d u c t o rp o s t ) f d s i i 堆双冷锂铅包层 ( s l l ：h c c o o l e dq u a s i - s t a t i cl i p b 中国c l a m 钢 l i p bh e l i p b a n dd l l ：d u a l c o o l e dl i p b ) f d s i l l 堆双冷锂铅包层 中国c 圳钢l i p b h c l i p b ( h t l ：h i g ht e m p e r a t u r el i p b ) 表1 3 2 国际上典型的锂铅t b m 概念 t b m 名称 国家地区结构材料氚增殖剂 冷却剂 h c l l t b m 欧洲 e u r o f e r 9 7l i p bh e d c l l t b m 美国r a m f l i p bh e l i p b l l c b t b m 印度r a f m l i p b 陶瓷h e l i p b d f l l - t b m中国c l a m 钢l i p bh e l i p b 1 4 我国液态锂铅包层研发状况 我国近几年在聚变堆和包层概念研究上发展迅速，中国科学院等离子体所反 应堆研究室与国内外多家科研机构协作建立的f d s ( f u s i o nd e s i g ns t u d y ) l 蚕队，在 原有国家“8 6 3 计划支持下的聚变一裂变混合堆项目的研究成果基础上，开展 了一系列聚变能系统研究和液态包层相关技术的研究。先后提出了多功能聚变驱 动次临界堆( f d s 1 ) 、紧凑型聚变反应堆( f d s s t ) 以及先进聚变发电反应堆 ( f d s i i ) 、高温聚变制氢反应堆( f d s i i i ) 等概念盼矧，并对相应包层进行了 概念设计研究，特别是设计研究了以液态锂铅包层为主的聚变驱动次临界堆 f d s i 的双冷嬗变( d w t ：d u a l c o o l e dw a s t et r a n s m u t a t i o n ) 包层概念】，和紧凑型 聚变反应堆f d s s t 的液态锂铅次临界锂铅包层和中心导体柱c c p ( c e n t e r c o n d u c t o rp o s t ) 概念设计。 d w t 锂铅包层概念晗引利用聚变堆芯产生的中子源驱动次临界包层中的裂变 反应，实现氚增殖、能量增殖，以及用于长寿命锕系核废料( m a ) 和长寿命裂 变产物核废料( f p ) 嬗变处理、可裂变核燃料p u 增殖等主要功能。对应包层模块在 极向方向上呈“香蕉形”扇形模块，其包层模块参考模型如图1 4 2 所示，包层 自等离子体区沿径向向外分为m a 嬗变区( 两个子区) 、u 区( 两个子区) 、f p 嬗 9 m # 镕“目* * ”日r 变区( 三个了区) 和氮气联箱区。d w t 包层采用双冷系统即高压氮气用于冷 却第一壁和结构材料以及裂变产物嬗变尻液态锂铅既作为氚增殖剂同时叉在高 放锕系发料媲叟匮作为冷却剂实现自冷功能。图14 - 3 是液态金属锂铅在d w t 包 层中的流动方案示意图，沿径向方向，锂铅在重金属区( m a 区和u 区) 内的明 排方形管道内流动，它们分别是液态金属l m 。区、l m 2 区、l m 3 区和l m 区铿 铅在四个区的管道内沿极向的交错方向流动，管道与管道之问相互独立，各自具 有独立的循环系统。 h i # # 7 b s p 日h h 目 r p s p ) 图i4 = 2 d w t 包层模块3 d 参考模型 图14 - 3d w t 包层中液态金属l i p b 的流动方案 | i 慧一 ” t 舳 第一章引言 低活化结构材料如低活化铁素体马氏体钢( r a f m ：r e d u c e da c t i v a t i o n f e r r i t i c m a r t e n s i t i c ) 、钒合金及s i c f s i c 复合材料因其有较好的耐高温、抗辐照性 能并且活化放射性低而选作聚变驱动次临界d w t b 包层的结构材料，其中r a f m 钢因其具有很好的工业基础而作为首选结构材料，如中国自主研发的c l a m 钢 ( c h i n e s el o wa c t i v a t i o nm a r t e n s i t i cs t e e l ) 2 a - a o 。 本论文在d w t 包层概念设计基础上，提出了一系列以液态锂铅包层为主的 f d s 聚变包层概念设计。从技术实现的可行性到追求高先进性逐级递进，先后设 计研究了用于发电或其他高温热应用的低温、高温、超高温系列锂铅包层概念。 低温锂铅包层采用氦气单冷、锂铅准静态流动包层方案，氦气带走包层所有 结构和增殖剂锂铅的热量，锂铅准静态流动仅用于进行氚提取，锂铅最大出口温 度只有4 5 0 c 左右，较低的锂铅温度对材料的腐蚀很小，较低的锂铅流速引起的 液态金属的m h d 效应较小，因此从技术实现的角度，低温锂铅包层主要强调技 术实现可行性。采用合理的结构设计和合适的热工水力学参数设计，检验在包层 结构材料允许的工作范围内冷却剂是否有效的将包层内所有核热和第一壁表面 热流带出包层，是低温包层关注的主要技术问题。 高温锂铅包层采用氦气和锂铅双冷包层概念，氦气仅带走结构的热量，锂铅 兼氚携带剂同时实现自冷，这就需要较大的锂铅流动速度带走自身的核热，锂铅 最大出口温度设计7 0 0 c 左右，因此在锂铅流道内考虑使用耐高温的流道插件 f c i 。由于锂铅的流动速度较大导致锂铅的m h d 效应较大，改变锂铅的流动速 度和载热能力，增加锂铅流动的流动阻力，进而增加锂铅流动的m h d 压降。因 此高温锂铅包层的实现从技术可行性上难度更大，必须首先解决f c i 和m h d 效 应的技术难度，但从先进性而言具有较大的吸引力，较高的出口温度可以达到更 大的热电转换效率，从而提高聚变电站的经济效益和竞争性。 为了进一步提高包层的热电转换效率，获得较高温热，设计了锂铅出口温度 在1 0 0 0 ( 2 左右的超高温锂铅包层概念。包层的设计特点体现在采用目前成熟的 材料技术而追求更高先进性的目标，因此包层概念的选择基于现有的材料和技 术，采用技术较为成熟的低活化铁素体马氏体钢作结构材料，在锂铅流道内放 置多层耐高温的流道插件( m f c i ) ，获得超过材料温度最大限制的高温热流体。 较高先进性的包层在技术可行性上更具难度，需要在解决多层f c i 技术和m h d 聚变堆液态锂铅包层新概念设计研究 效应问题的同时还需保证在高温热流体的情况下结构材料的安全使用。 为了验证聚变堆系列锂铅包层相关技术，验证工程可行性和高性能，全面掌 握液态锂铅包层设计、制造和建设的主要知识和技术，中国积极参加国际i t e r 合作计划，f d s 课题组根据i t e r 运行条件和要求，在系列液态锂铅包层概念设 计基础上，设计和发展了兼顾技术发展可行性和先进性的锂铅实验包层方案，称 为双功能锂铅实验包层模块系统( d f l l t b m ：d u a lf u n c t i o n a l l i t h i u m l e a d t b m ) 。该实验包层模块综合体现了中国液态锂铅包层的设计原则和设计方 案，在i t e r 不同等离子体运行阶段，测试不同的包层设计概念。 首先在i t e r 运行前十年初期h h 、d d 阶段，d f l l t b m 用来验证和测试低 温包层相关的技术，因此结构设计类似于低温包层的结构设计方案：氦气带走结 构和锂铅所有的热量，锂铅准静态流动仅用来进行氚增殖和氚提取，锂铅最大出 口温度只有4 5 0o c ；在i t e 随_ 行前十年后期d - t 阶段，d f l l - t b m 主要测试高 温包层相关的技术，此时结构设计类似于高温包层的结构设计方案：锂铅快速流 动，除用来氚提取同时用来锂铅自冷，较大的m h d 压力降需要流道管壁绝缘， 耐高温、低热导和低电导材料被考虑在锂铅流道内作热、电绝缘插件，除了能降 低m h 压力降，同时提高冷却剂出口温度到7 0 0o c 。后期的测试计划是主要的 设计目标，但是如果m h d 效应和f c i 技术不能被解决，早期的低温测试计划在 i t e l 运行期间会一直持续。 1 5 论文内容、意义 本论文研究了低温、高温、超高温系列液态锂铅包层新概念设计，提出了每 种包层的设计原则，给出了每种包层的参考设计方案，并通过理论分析和数值模 拟对各设计概念进行了可行