聚變示范堆熱電轉(zhuǎn)換效率分析及CO2冷卻固態(tài)包層熱性能評(píng)估.pdf

1、聚變示范堆EU DEMO是歐洲各國(guó)在ITER基礎(chǔ)上提出的一種用于理論驗(yàn)證和工程探索的核聚變裝置，用來(lái)評(píng)估聚變堆的經(jīng)濟(jì)可行性和技術(shù)可行性，也是核聚變正式商業(yè)運(yùn)行前的最后一步。在聚變示范堆中，包層是維持聚變堆氚自持的重要部件，同時(shí)還承擔(dān)著聚變示范堆能量提取和轉(zhuǎn)換、屏蔽輻射等重要功能。因此，包層合理的設(shè)計(jì)方案和材料選擇對(duì)于聚變示范堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性非常重要。
　　目前EU DEMO有4種潛在的包層方案，即氦冷球床包層(HCPB)、氦冷鋰

2、鉛包層(HCLL)、水冷鋰鉛包層(WCLL)和雙冷鋰鉛包層(DCLL)。除WCLL冷卻劑是水外，其他3種包層的冷卻劑都包含氦氣。氦氣密度較小，需要消耗的風(fēng)機(jī)功率較高，因此會(huì)降低DEMO的熱電轉(zhuǎn)換效率。自從上世紀(jì)50年代二氧化碳已經(jīng)作為鎂諾克斯反應(yīng)堆和先進(jìn)氣冷堆的冷卻劑，成功應(yīng)用于核裂變反應(yīng)堆超過(guò)60年時(shí)間。二氧化碳的密度是氦氣的11倍，需要的風(fēng)機(jī)功率會(huì)明顯少于氦氣，從而提高DEMO熱電轉(zhuǎn)換效率和凈發(fā)電功率。同時(shí)高密度的二氧化碳還可以減少

3、存儲(chǔ)罐的體積，且二氧化碳價(jià)格低廉極易獲取，從而減少成本。
　　因此本文首先考察了包層以氦氣和二氧化碳分別作為冷卻劑時(shí)對(duì)聚變示范堆發(fā)電效率的對(duì)比分析。首先，給出了聚變示范堆綜合整體系統(tǒng)BoP的設(shè)計(jì)方案，包括主熱傳輸系統(tǒng)PHTS、儲(chǔ)熱換熱系統(tǒng)IHTS和能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PCS三大子系統(tǒng)。然后，分別以氦氣和二氧化碳作為PHTS主熱傳輸系統(tǒng)冷卻劑對(duì)聚變示范堆的發(fā)電效率進(jìn)行比較分析。在相同的條件下，由于二氧化碳消耗掉的風(fēng)機(jī)功率較低，從而使凈發(fā)電功

4、率大于氦氣。最后，對(duì)主熱傳輸系統(tǒng)PHTS不同冷卻劑出口溫度以及能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)PCS不同水蒸氣壓力對(duì)系統(tǒng)效率的影響進(jìn)行了影響分析研究。提高CCPB包層的出口溫度可以提高DEMO的發(fā)電效率，但是同時(shí)提高入口溫度和出口溫度不能提高發(fā)電效率;當(dāng)CCPB包層的出口溫度為600℃時(shí)，適當(dāng)提高PCS中汽輪機(jī)入口處的蒸汽壓力，有助于提高DEMO發(fā)電效率;當(dāng)CCPB包層中壓降提高1.5倍時(shí)，二氧化碳的效率仍然會(huì)高于氦氣。
　　在堆發(fā)電效率分析的基礎(chǔ)上

5、，進(jìn)一步提出了新的EU DEMO包層概念---二氧化碳冷卻球床包層(CCPB)。CCPB包層設(shè)計(jì)采用的參數(shù)與HCPB參數(shù)基本一致，冷卻劑入口溫度和出口溫度分別是300℃和500℃，壓力為8MPa。包層中結(jié)構(gòu)材料為RAFM鋼(EUROFER97)，氚增殖材料為L(zhǎng)i4SiO4，中子倍增材料為Be12Ti。面向等離子體的第一壁保護(hù)材料為鎢。
　　第一壁(FW)是增殖包層中直接面對(duì)等離子體的部件，需要承受來(lái)自等離子體的熱流、高能粒子流等載

6、荷。本文首先對(duì)CCPB固態(tài)包層第一壁熱工水力性能進(jìn)行分析與評(píng)估。由于EU DEMO中，第6號(hào)內(nèi)包層第一壁承受最大的粒子熱流密度，第15號(hào)外包層第一壁承受最大的輻射熱流密度，因此本文對(duì)第6號(hào)內(nèi)包層、第15號(hào)外包層以及典型包層（赤道面第12號(hào)）的第一壁分別進(jìn)行了獨(dú)立的熱工水力分析，考慮實(shí)際包層第一壁冷卻劑流道的粗糙度，給出了不同位置、不同壁面粗糙度熱工水力分析結(jié)果。并對(duì)第6號(hào)和第15號(hào)包層第一壁開(kāi)展了熱流密度敏感性分析，當(dāng)?shù)?號(hào)包層第一壁承

7、受的總熱流密度增大到1.6MW/m2時(shí)，其第一壁壓降為3bar，低于壓降限值3.7bar。對(duì)于第15號(hào)包層，即使總熱流密度增大到1.2MW/m2，第一壁需要的質(zhì)量流量為0.48kg/s，產(chǎn)生的壓降為3.4bar，仍低于壓降限值3.7bar。
　　在分析第一壁的基礎(chǔ)上，本文對(duì)CCPB赤道面典型包層增殖區(qū)進(jìn)行了熱工水力分析，并對(duì)增殖區(qū)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化主要考慮了增殖區(qū)中Pin的數(shù)量和尺寸，以及添加石墨圓柱棒，從而降低增殖區(qū)的溫度，增殖區(qū)

8、包層最終采用12個(gè)Pin設(shè)計(jì)，Pin的尺寸增大到86mm，最終使增殖區(qū)內(nèi)的增殖材料和結(jié)構(gòu)材料溫度基本上低于其限值。第一壁最高溫度512.5℃出現(xiàn)在第一壁彎段處，而Pin-cladding直接受到增殖區(qū)中冷卻劑影響，最高溫度為513.1℃，二者均低于材料溫度限值550℃。由于添加了直徑為70mm的石墨棒，Be12Ti球床最高溫度降低到895.9℃，低于材料溫度限值920℃。而Li4SiO4球床最高溫度為917.6℃，低于限值900℃，同時(shí)