包层调研报告
Report of Test Blanket Module
2014/10/28
目录
1. 概述 2.
2.1 EU_HCPB (European Helium Cooled Pebble Bed)
2.10 HCPB概述 2.11 HCPB工程描述 2.12 HCPB中子学分析 2.13 HCPB热工水力学分析
2.2 EU_ HCLL (European Helium Cooled Lithium Lead Test Blanket Module )
2.20 HCLL概述 2.21 HCLL工程描述 2.22 HCLL中子学分析 2.23 HCLL热工水力学分析
2.3 US_DCLL ( DUAL COOLANT Pb-17Li TEST BLANKET MODULE)
2.30 DCLL概述 2.31 DCLL工程描述 2.32 DCLL中子学分析 2.33 DCLL热工水力学分析
2.4 US_ HCCB (U.S. Helium-Cooled Solid Breeder)
2.40 HCCB概述 2.41 HCCB工程描述 2.42 HCCB中子学分析 2.43 HCCB热工水力学分析
2.5 RF_CHC (Russian Federation Ceramic Helium Cooled)
2.50 CHC概述 2.51 CHC工程描述 2.52 CHC中子学分析 2.53 CHC热工水力学分析
2.6 JP_HCSB (Japan Helium Cooled Solid Breeder)
2.60 HCSB概述 2.61 HCSB工程描述 2.62 HCSB中子学分析 2.63 HCSB热工水力学分析
3. 总结
4. 参考资料
1. 概述：
ITER 测试包层工作小组TBWG（Test Blanket Working Group）要求ITER的每一个参与方都要参加TBM（Test Blanket Modules）项目并提供各自的包层设计报告DDD（design description document），本文主要介绍了当前国际上的部分国家TBM的设计概况。
ITER 最主要的目标之一就是测试和验证一个功率反应堆的氚增殖包层的性能。这项测试对象就是TBM。ITER提供3个赤道窗口，编号分别为#16、#18、#2(1.75 m宽 2.2 m高)用以TBM测试，实验最多可以测试6个TBM。
TBM测试的主要目标：
? 验证TBM结构的完整性;
? 氚增殖性能和实时地提氚与控制技术;
? 具有获取和传输高能热能的能力，提高热功率; ? 获得不同运行条件下的综合性能参数。
图1.1 ITER-TBS（Test Blanket System）和赤道窗口示意图
TBM/TBS的设计必须要满足ITER的功率需求，其主要设计要求包括：
? 最大聚变额定功率：0.5GW；
? 最大聚变能偏移（Maximum Fusion Power Excursions ）：20%； ? 偏移持续时间：~10s； ? 脉冲持续时间：400s； ? 脉冲重复时间：>1800s；
? 第一壁能移除最大约为0.5MW/㎡表面热通量； ? TBS满足一定的TBR； ? 总的TBM热能：~3MW；
? 最大的中子壁负载：0.78MW/㎡。
测试包层系统 TBS（Test Blanket System）主要由以下系统组成：
? The Test Blanket Module (TBM). ? The TBM Port Plug (PP).
? Interspace/Port Cell Piping (IP). ? The Helium Coolant System (HCS).
? The Coolant Purification System (CPS). ? Other systems.
表1.1 不同实验包层模块概念的基本特征
TBM概念 氦冷/陶瓷 氦冷/锂铅 水冷/陶瓷 自冷/锂钒 冷却剂 氦冷 氦冷/锂铅 水冷 自冷/锂 氚增殖剂 锂陶瓷 液态锂铅 锂陶瓷 液态锂 中子倍增剂 铍 铅 铍 无 结构材料 铁素体钢 铁素体钢 铁素体钢 钒基合金 代表各国 所有 欧、美、中 日 日、俄 自冷/熔盐 自冷/熔盐 熔盐/FLiBe 铍 铁素体钢 美（已放弃） 本文简要地对不同种类TBM的、要求、结构和功能经行了概述。TBM/TBS的设计必须要满足ITER的功率需求，这些要求是不同的研制单位设计TBM的框架与基础。各个国家或科研单位依据统一的TBM设计要求设计了自己的TBM。本文主要介绍了各国TBM的概况，对于每一个TBM概述框架涵盖了它的工程描述、中子学分析和热工水力分析。
工程描述主要包含了TBM的机械构成和主要部件的运作原理。介绍了TBM的第一壁（FW）、氚增殖区（TBZ）、中子倍增区（Multiplier）、屏蔽层（shielding）和其他框架结构（Frame）。重点说明了第一壁、中子倍增区和氚增殖区的机械结构、几何布置、冷却剂管道的设计排布以及冷却剂在TBM中的循环方式。也介绍了各部件的冷却原理和其中的冷却剂通道的几何排布。对于固体氚增殖包层还介绍了净化气体（Pruge gas）管道的布置和作用。对于液态金属氚增殖包层也介绍了液态金属的作用和流动循环方式。
其次，本文介绍了不同TBM的中子学分析和相关内容。主要介绍了针对不同TBM所建立的中子学模型以及所使用的模拟软件和相应的数据库。同时也对TBM的热工水力学分析进行了介绍。与中子学类似，大致介绍了热工水力分析所建立的模型、分析软件。最后对温度或压力模拟的结果经行了简要地分析。
最后本文对不同TBM的特点和差异作了总结。主要说明了不同TBM的统一设计原理、作用和必要的组成结构。分析了部分TBM优异的设计特点，其中很多优异的设计特点对于未来TBM的设计起到了指导性的作用。
2.1 HCPB (European Helium Cooled Pebble Bed)
2.1.0 HCPB概述
研制单位：法国原子能委员会（France CAE） 氚增殖剂：陶瓷氚增殖剂（LiSiO/LiTiO） 中子倍增剂：Be 冷却剂：He
结构材料：RAFM钢
HCPB采用的是一种陶瓷包层，它是欧洲包层项目的两个包层概念的其中之一。HCPB最显著的设计特点是使用了陶瓷增殖燃料和铍倍增剂。它以一种平坦的燃料球床形式存在。其中球床被加固板分离，同时也被冷却板冷却。
图2.1.1 HCPB-TBM的局部示意图
在高温高压的条件下，氦冷却剂在第一壁中流动。其增殖区域被限定在很小的通道内。当冷却剂流过球床后，带走了氚增殖剂所产生的氚，并最终被氚收集系统所收集。从安全的角度分析，陶瓷氚增殖剂和铍增殖剂的结合提高了HCPB的固有安全性。唯一的不足是在高温高压的情况下铍和水或铍和气体发生反应产生氢气。
表2.1.1 HCPB包层的主要设计
第一壁热通量 壁的中子负载 氦的进出口温度 氦冷却剂的工作压力 包层模块压力下降的估值 以下值的设计最大温度： ·第一壁（钢） ·冷却板（钢） ·陶瓷增值剂 ·铍 氚增值比 0.5 MW/㎡ 2.4 MW/㎡ 300/500 °C 8 MPa 0.403 MPa 552°C 547°C 920°C 650°C 1.14