GDT聚变中子源氚燃料循环初步设计与分析

2020-06-21孙新宇王海霞曾秋孙贾江涛魏世平蒋洁琼

核科学与工程 2020年2期

孙新宇，王海霞，曾秋孙，贾江涛，魏世平，蒋洁琼

(1.中国科学院核能安全技术研究所中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽合肥 230031)

GDT(Gas Dynamic Trap)是一种由中性束驱动的轴对称线性磁镜装置，具有等离子体易实现稳态运行、结构简单紧凑、技术实现难度较低、易升级与维护、氚消耗量低等特点[1-4]。目前，中国科学院核能安全技术研究所(INEST，CAS)和俄罗斯科学院布德科尔核物理研究所(BINP，RAS)正在联合研发基于GDT概念的稳态氘氚聚变体积中子源，其建成后可作为聚变结构材料或部件的测试平台，也可用于研究核废料的嬗变处理、次临界堆的控制[3-5]。目前已完成GDT聚变中子源(GDT—FNS，GDT-based fusion neutron source)主体装置的初步概念设计。

氚作为GDT聚变中子源的燃料之一，在自然界中的含量极少[6]，目前人们使用的氚都来于人工生产，价格十分昂贵(约30000$/gT)。氚燃料在真空室内的燃烧份额很低，建立安全而高效的闭式氚燃料循环(TFC，Tritium Fuel Cycle)系统，一方面可以降低燃料的成本，提高氚燃料的经济性，另一方面也保障了装置的安全运行[7]，保证了工作人员及周边居民的安全性，是GDT聚变中子源的研发路线中的重要一环。

本文首先分析GDT装置在氚燃料循环方面的特点，然后参考最新的国际热核实验堆ITER[8-10]与聚变示范电站DEMO[11,12]的设计，完成氚燃料循环方案的初步概念设计。结合平均滞留时间模型[13]，利用氚分析程序[14,15]，从氚燃料成本的角度(包括氚在系统内的盘存量以及最小初始投料量等)出发，对方案的经济性进行初步分析，旨在为该装置氚燃料循环方案的选取以及日后的实际工程应用阶段提供一定的参考。

1 GDT氚燃料循环特点

相比于ITER及DEMO等聚变堆，GDT聚变中子源在氚燃料循环方面的特点如下：

①氚燃料循环系统的运行规模较小。作为中子源装置，GDT比ITER及DEMO的聚变功率小得多，使得氚在子系统间的质量流较小，故而无需如ITER规模庞大的氚工厂。

②由中性束驱动GDT聚变中子源的运行。中性束注入系统(NBI)将混合比例为1∶1的氘氚燃料注入真空室，补充快离子区的氘氚粒子损失，为氘氚聚变反应提供主要的反应物。

③没有包括氚增殖包层、氚提取系统在内的燃料循环回路。GDT聚变中子源氚消耗量相对较低，没有氚增殖包层，氚消耗可以通过商业氚来弥补，因此氚增殖和氚自持并不是其实现持续稳态运行的先决条件。

2 GDT氚燃料循环系统概念设计

GDT氚循环系统主要包含两大部分，即物料注入系统和氚处理系统。为保证装置在3MW聚变功率状态下稳态运行，提出了三套GDT聚变中子源氚燃料循环方案，分别命名为GDT—TFC1、TFC2和TFC3。

2.1 物料注入系统

物料注入系统不仅需要补充真空室内氘氚粒子的燃耗，还需补充随杂质气体一起排出的燃料气体，并且可以在启动、运行和停止阶段控制等离子体密度。本文考虑的物料注入系统包括加料系统和NBI。在装置启动阶段之前，需先将外部供应的氘氚燃料贮存到贮存与输运系统(SDS)中的金属储氢床内。然后，由SDS系统完成气体分配，采用加料系统将燃料从两端注入真空室，提供背景等离子体；采用NBI系统将混合比例为1∶1的高能氘氚离子注入真空室，补充靶等离子体的粒子损失。

目前在运的GDT装置采用气体注入技术作为主要的加料技术。鉴于气体注入技术相对成熟、运行经验相对丰富，本文提出的三套氚燃料循环方案均考虑采用气体注入技术作为主要的加料技术。由于气体注入对快离子区(聚变反应区)几乎没有贡献，仅能维持背景等离子体的密度，理论上可以采用纯氘气注入[16]。三套方案在加料上的区别在于注入物料配比的不同：TFC1方案的加料系统注入纯氘气，TFC2和TFC3方案的加料系统注入混合比例为1∶1的氘氚气体。由于NBI系统提供了主要的氘氚聚变反应物，因此TFC1方案的氚燃烧份额相对较高。

2.2 氚处理系统

本文考虑的氚处理系统包括6个子系统，分别是低温泵、排灰气处理系统(EPS)、同位素分离系统(ISS)、气体除氚系统(A/VDS)、水除氚系统(WDS)和SDS系统。

相比于ITER装置，GDT聚变中子源真空室内的氚转移到面向等离子部件(PFM)或测试组件中的比例更低[1]，绝大部分未燃烧的氘氚燃料将随着杂质气体进入到氚处理系统进行处理，经过一系列的分离纯化后得到纯净的氘氚燃料，然后通过物料注入系统再次进入真空室进行燃烧。

TFC1和TFC2方案的氚燃料循环回路参考ITER氚燃料循环设计。低温泵的主要功能在于等离子体排灰气体的输运，无法实现氘氚与杂质气体的分离。等离子体排灰气体通过低温泵进入EPS系统，实现氢同位素气体和杂质气体的分离。除去杂质的产品气将被输送到ISS系统进行氢同位素的分离，处理后得到纯净的燃料气体输送到SDS系统进行贮存，等待下一次注入。

TFC1方案的优势在于，加料系统采取纯氘注入的方式，使得氚燃烧份额较高，子系统间的氚质量流相对较小，但氚循环时间较长，氚处理流程较复杂。TFC2方案的优势有两点：①所有的物料注入系统均采取氘氚混合注入的方式，不需要氘氚元素分离的处理流程，ISS系统的主要功能是除氕，ISS得到了较大的简化，使得同位素分离系统得到大大的简化，缩短了氚循环时间；②输送到SDS系统的混合燃料气体包括D2、DT、T2，无需分类贮存，SDS系统得到了一定的简化。不足是子系统间的氚质量流相对较大，系统处理负荷较大。

相比于TFC2方案，TFC3方案的特点是具有两条氚燃料循环回路：在低温泵和加料系统之间多增加了一条称之为直接内部循环(DIR)的氚输运路径，使得被泵出的排灰气体在实现简单除杂后，能够快速回到物料注入系统，等待下一次注入。不同于ITER的低温泵设计，TFC3方案拟采用两级低温泵技术：第一级为工作状态，温度为5K左右，用于冷凝排灰气体；第二级为解吸状态，温度为20K左右，用于氢同位素单质气体的再生。两级低温泵是DIR回路的关键系统，具有排灰气体抽运与初步分离的功能，有助于降低氚燃料循环的时间。

氚燃料循环设计方案及相关子系统如图1所示。三套不同氚燃料循环工艺方案的相关子系统及主要功能列于表1。

图1 GDT聚变中子源氚燃料循环设计图

表1 GDT聚变中子源氚燃料循环方案子系统功能

3 氚燃料循环分析

基于平均滞留时间模型，利用INEST开发的聚变堆氚分析软件TAS，分析系统内的氚盘存量以及氚投料量，从氚燃料经济性角度对方案进行初步评价。

3.1 物理模型

氚在子系统间的质量流用方程(1)描述。

(1)

Losses——第i个子系统的氚损失量；

Ii——第i个子系统内的氚盘存量；

Ti——第i个子系统的氚平均滞留时间。

3.1.1 氚注入速率

物料注入系统氚注入速率MT(g·s-1)为:

(2)

式中：N——氚燃烧速率，g·s-1；

β——氚燃烧份额，指氚燃烧速率与氚注入速率的比值；

MT,j——第j种物料注入方式的氚注入速率，g·s-1。

NBI系统的氚注入速率MT,1(g·s-1)为:

(3)

式中：AT——氚离子的摩尔质量，取3.016 g/mol；

PNBI——是中性束注入系统的功率，W；

q——电子伏特(eV)和焦耳(J)的换算系数，取1.602×10-19J/eV；

N0——阿伏伽德罗常数，取6.022×1023/mol；

ENB——中性束粒子能量，eV。

加料系统的氚注入速率MT,2(g·ss-1)为:

(4)

式中：Λ——等效电流数，它表示单位时间内注入的粒子数乘以每个粒子所带的电荷量，eq.A。

3.1.2 氚损失速率

聚变功率为1 MW的氘氚聚变装置稳态运行一年(8766 h)需要燃烧56 g氚，换算得到氚燃烧速率N(g·s-1)为:

(5)

式中：Pfus——装置的聚变功率，与快离子的平均密度、氘氚反应率、快离子区(聚变反应区)的体积有关，MW。

GDT聚变中子源中的氚损失途径，除燃烧之外，本文还将考虑其他两种损失方式，即衰变损失λ和非放射性损失ε。氚的半衰期约为12.323年，这意味氚的衰变损失率约为1.73×10-9s-1。氚非放射性损失率包括吸收、泄漏等方面，依据ITER每年对环境释放的氚不高于0.6 g的要求，GDT聚变中子源的非放射性损失也应当控制在很低的水平。本文为简化计算，暂不区别各个子系统内的非放射性损失率，均取为1×10-8s-1。

3.1.3 系统盘存量与最小初始投料量

(6)

t——装置的运行时长。

3.2 参数设置

利用上述GDT聚变中子源氚燃料循环模型，结合其装置的特点，在实现3 MW聚变功率的前提下，设置的主要参数见表2。

3.3 初步计算结果及分析

图2 系统盘存量与GDT聚变中子源运行时长的关系

图3 最小初始投料量与GDT聚变中子源运行时长的关系

在现阶段的工程技术水平之上，GDT聚变中子源若采用所有物料注入方式都采用氘氚混合注入的方案(TFC2、TFC3)，将在一定程度上简化ISS系统，节约复杂ISS系统的建造成本，缩短氚循环时间。但是，由于氚质量流的增大，使得系统氚盘存量显著增加，所需的最小初始投料量也明显高于采用氘氚分离注入的方案(TFC1)。结果显示，从氚燃料经济性(系统盘存量和最小初始投料量)角度考虑，TFC1方案结果最优，TFC3方案次之，TFC2方案再次之。显然，合理改变燃料配比将有助于提高氚燃料的经济性。

表2 GDT聚变中子源氚燃料循环方案设计参数

低温泵处理排灰气体的过程对TFC3方案的氚燃料循环过程至关重要，但低温泵工艺目前仍处于概念设计阶段，建造和运行成本可能较大，氚平均滞留时间等参数还有待验证。本文考虑低温泵平均滞留时间的调节范围为400～2 400 s，模拟得到低温泵平均滞留时间与系统盘存量的关系。从图4中可以看出，低温泵平均滞留时间与系统盘存量呈线性关系。当平均滞留时间低于1 560 s时，TFC3方案将优于TFC2方案；当平均滞留时间低于446 s时，TFC3方案将优于TFC1方案。TFC3主要借鉴了最新的EU-DEMO氚燃料循环设计，是氚燃料循环研究领域的热点方向之一。

图4 TFC3方案中，低温泵平均滞留时间与系统盘存量的关系

4 总结

本文结合GDT在氚燃料循环方面的特点，参考ITER和DEMO氚燃料循环设计，完成GDT聚变中子源的氚燃料循环初步概念设计。根据物料注入方式、氚处理系统功能、循环回路等不同，分别提出了三套氚燃料循环方案，并分析在系统氚盘存量、氚投料量方面的差异，从氚燃料经济性的角度出发，对方案进行了初步的评价，为GDT氚燃料循环方案的选取提供了一定的参考。在实际工程阶段，应尽可能降低系统内的氚盘存量以及初始投料量。下一步将根据最新研究进展，构建更加详细的且接近实际的氚燃料循环方案，并结合经济性和工程可行性进行优化与分析。