多物理场作用下聚变堆产氚包层氚增殖比特性研究

Tritium breeding blanket is an essential component to realize tritium production and thermoelectric conversion in a fusion reactor. It is a challenge to improve tritium breeding ratio (TBR) of blanket as much as possible considering engineering feasibility. Based on the open source integration platform SALOME, this project develops a multi-physics field integration platform used for the design of tritium breeding blanket. Based on the precise analyses of the neutron spectrum of tritium breeding blanket and the neutron cross-sections of blanket materials, the influences of material parameters and structural arrangements of various blanket concepts on TBR are systematically analyzed and compared under multi-physics fields by using the developed integration platform. The methods to improve TBR of blanket are also studied, and the design schemes of various blanket concepts which meet the thermal hydraulic and TBR requirements are proposed. Moreover, merits and drawbacks of these design schemes are analyzed. On the basis of that, a TBR library is made and an automatic optimization code for tritium breeding blanket is developed which can be used to improve the efficiency of neutronic design and optimization for blanket. The research results of this project can provide reference and solid design basis for the tritium breeding blankets design of CFETR and commercial fusion reactors in the future.

产氚包层是聚变堆中实现聚变燃料氚增殖以及热电转换的关键部件，如何在保证工程可行性的前提下尽可能提高氚增殖比是包层设计的难点。本项目基于大型开源可视化集成平台SALOME，开发适用于聚变堆产氚包层的多物理场集成设计平台。利用该平台，结合产氚包层中子能谱与材料核反应截面分析，系统地分析并比较多物理场作用下各种产氚包层概念的材料参数和结构布置对氚增殖比的影响，研究包层的氚增殖比特性和提高氚增殖比的方法，提出各种包层概念下满足热工水力与氚增殖比要求的包层设计方案并分析不同设计方案的优缺点。基于产氚包层氚增殖比特性研究结果，制作包层氚增殖比数据库并开发氚增殖比自动优化程序，提高包层中子学设计和优化效率。本项目研究成果可为CFETR和未来商用聚变堆产氚包层设计提供参考和坚实的设计基础。

产氚包层是聚变堆实现氚增殖及热电转换的核心部件。如何在保证工程可行性的前提下尽可能提高氚增殖比是包层设计的难点。本项目以提升包层的产氚性能，更好地满足聚变堆氚自持的实际需求为目标，开展了多物理场作用下聚变堆产氚包层的氚增殖比特性研究。首先，基于开源多物理集成平台SALOME，初步搭建了具备产氚包层几何建模、多物理场集成计算及后处理等功能的集成设计平台。其次，分析了不同氚增殖材料、中子倍增材料、第一壁铠甲材料、材料配比及丰度对包层氚增殖比的影响，系统研究了包层的氚增殖比特性和提高氚增殖比的方法。在此基础上，完成了4种包层模块方案的初步设计和手动中子学优化，同时基于中子通量、能谱、截面、反应率等关键核性能参数的分析结果，提出了一种具有较高氚增殖比的氦冷固态包层创新设计方案。根据以上分析结果，制作了较完善的产氚包层氚增殖比数据库，包括不同材料和几何参数的氚增殖比、产氚反应率和能谱等数据。然后，基于爬山算法自主开发了产氚包层多物理耦合中子学自动优化程序并与多物理场集成设计平台进行集成。最后，参考中国聚变工程实验堆包层全堆布局方案，采用包层自动优化程序分别完成了各包层设计方案典型模块的自动中子学优化，同时将优化结果带入全堆中子学模型分析计算不同包层设计方案的全堆氚增殖比并进行三维有限元热工迭代校核计算，得到了满足热工水力和氚增殖比设计要求的包层设计方案。此外，完成了包层间隙、偏滤器、真空室窗口等对全堆氚增殖比的影响分析。分析结果表明：本项目提出的包层中子学自动优化方法能有效提高包层的氚增殖比优化效率与效果，可满足聚变堆产氚包层的设计与优化需求；所提出的包层创新设计方案在满足热工安全要求的前提下具有较高的氚增殖比，能够更好地实现聚变堆的氚自持目标。本项目的研究成果可为中国聚变示范堆及未来商用聚变堆的包层设计与优化提供理论支撑与数据基础。