用于聚变试验装置的固体增殖毯的概念设计

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Conceptual Design of Solid Breeder Blankets for Fusion Pilot Plants

固态换料包层设计研究：比较了垂直分层 sandwich-type、径向堆叠 variant 和混合 pebble-bed（采用Be12Ti与管状冷却）三种概念在300MW聚变示范堆中的热液压与结构性能。模拟显示混合床平均换料温度达660°C（高于sandwich-type的565°C），氦气出口温度约470°C，氚增殖比0.72-0.73，结构应力符合RCC-MR标准，局部应力集中在边缘角落。提出需进一步开展三维中子验证、冷却流道优化和结构精细化设计。

　　

摘要：

在从国际热核实验反应堆（ITER）向示范堆（DEMO）级别的聚变反应堆迈进的过程中，实现高效的热提取、氚的自给自足以及增殖包层的结构可靠性仍然是一个关键的技术挑战。本研究针对一个聚变试验堆（PP），其聚变功率为300兆瓦，探讨了不同的固体增殖包层设计方案。考虑了三种固体增殖包层配置：一种是垂直分层的三明治式包层，包含独立的陶瓷增殖材料（CB）和铍增殖区域；另一种是径向堆叠的包层，作为替代的几何结构；第三种是混合卵石床概念，该概念用钛铍化物（Be12Ti）替代铍，并采用管式冷却系统而非板式冷却通道。通过计算流体动力学（CFD）和ANSYS中的有限元模拟，对热-水力和结构性能进行了评估，以分析在标称运行条件下的温度场、冷却剂性能和机械行为。结果显示，与三明治式包层相比（温度约为565℃），混合卵石床包层的平均增殖温度更高（约为660℃），同时仍保持在材料允许的范围内。评估的这些概念还实现了约470℃的氦气出口温度以及0.72–0.73的氚增殖比。基于RCC-MR标准的结构评估确认，两种分析的配置均满足主要应力限制，峰值应力主要集中在边缘和角落部位。总体而言，本研究对适用于近期聚变试验堆部署的固体增殖包层概念进行了比较评估，并指出了进一步开发的关键领域，包括全面的三维中子验证、冷却剂流动优化以及结构改进。