液态增殖包层概念设计与氚滞留量研究(2011.7.29)

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1、附件2：国际热核聚变实验堆（ITER）计划专项（国内研究）磁约束聚变数值模拟与理论研究课题申请书课题名称：液态增殖包层概念设计与氚滞留量研究申请人：宋勇申报单位：中国科学院等离子体物理研究所申报日期：2011年7月27日中华人民共和国科学技术部制—18—摘要（1,000字左右）简述申请人有关背景和学术贡献，申请课题的重要性与必要性、拟解决的关键问题、主要研究内容和目标。宋勇简历聚变能作为一种有潜力的新型“清洁、安全和永久”能源，是解决未来能源问题的重要途径。在反应堆中，包层是实现高环境适应性和低发电成本聚变能应用的关键能

2、量转换部件。包层模块直接面向高温等离子体，D-T聚变释放能量的80%以中子动能的形式出现，在包层中实现中子能量沉积、并实现产氚等功能。其冷却剂把包层中核热带出，实现能量转换进行发电；其增殖剂实现产氚功能。液态锂铅作为目前技术相对成熟且最具有潜力的增殖剂材料，其与水、空气等化学活泼性不高，且氚溶解度较低，易于提取，与金属Li相比导电性不高，MHD效应相对较弱，并可作为冷却剂。液态锂铅包层有着巨大的近期和长期研究应用前景，成为目前国际上包层概念设计的主要候选包层方案之一，欧盟、美国等参与ITER项目的各方都提出并发展了其锂铅实

3、验包层模块。同时，氚作为重要的聚变堆燃料之一，价格昂贵，且具有放射性和渗透性，极易渗透出来造成氚燃料的损失及对聚变堆周围环境潜在的放射性危害。而包层及其辅助系统做为反应堆氚循环中极为重要的一环，要实现氚的增殖与提取，其产氚、提氚效率与放射性安全性也是目前聚变相关研究中的重要课题。因此对液态锂铅包层进行概念设计与氚滞留量分析，以尽可能提高氚的增殖效率并降低氚向环境的渗透释放，对提高反应堆经济性，验证其安全性具有重要意义。本项目拟开展氦冷液态锂铅包层概念设计研究，包括包层中子学设计、热工水力学设计与建造技术预研等核心内容。并在

4、此基础上开展包层氚分布建模工作，完成程序的开发，对氚在包层中的扩散、滞留、渗透等行为进行模拟，获得其产氚效率，氚在包层各部件中的分布与滞留情况，以及氚向堆外的释放情况。最终实现对其经济性与安全性的验证，为未来聚变能的发展与商业应用提供参考。申请书正文（30,000字左右）—18—一、立项依据开展研究的重要性和必要性。在聚变反应堆中，包层是实现高环境适应性和低发电成本聚变能应用的关键能量转换部件。目前ITER国际合作项目主要目标之一就是为了验证未来示范堆（DEMO：Demostrationpowerreactor）和商用聚

5、变堆包层以及材料相关的关键技术，并决定在ITER装置赤道平面位置上设计三个实验包层模块（即TBM：TestBlanketModule）窗口，分别进行不同概念和不同目标的增殖包层模块实验。液态锂铅作为目前技术相对成熟且最具有潜力的增殖剂材料，其与水、空气等化学活泼性不高，且氚溶解度较低，易于提取，与金属Li相比导电性不高，MHD效应相对较弱，并可作为冷却剂。液态锂铅包层有着巨大的近期和长期研究应用前景，成为目前国际上包层概念设计的主要候选包层方案之一，欧盟、美国等参与ITER项目的各方都提出并发展了其锂铅实验包层模块。同时，

6、氚作为重要的聚变堆燃料之一，价格昂贵，且具有放射性和渗透性，极易渗透出来造成氚燃料的损失及对聚变堆周围环境潜在的放射性危害。而包层及其辅助系统做为反应堆氚循环中极为重要的一环，要实现氚的增殖与提取，其产氚、提氚效率与放射性安全性也是目前聚变相关研究中的重要课题。因此，开展液态锂铅包层概念设计研究，包括包层中子学设计、热工水力学设计与建造技术预研等核心内容；并在此基础上开展包层氚分析建模工作，对氚在包层中的扩散、滞留、渗透等行为进行模拟，获得氚在包层各部件中的分布与滞留情况，以及氚向外的泄露释放情况；通过对包层系统的设计与模

7、拟分析优化，尽可能提高氚的增殖效率并降低氚向环境的渗透释放，最终实现对其经济性与安全性的验证，具有极为重要的意义，并可为未来聚变堆氚系统设计、维持聚变堆氚燃料的自持和周围工作人员及居民的安全提供参考和理论依据。二、国内外研究现状和发展趋势课题所在领域的国际最新研究进展和发展趋势，国内研究现状和水平，相关研究工作取得突破的可能性等。—18—液态锂铅包层作为目前国际上包层概念设计的主要候选包层方案之一。欧盟先后提出了水冷锂铅（WCLL：Water-CooledLead-Lithium）包层聚变电站（PPCS-A）、双冷氦-锂

8、铅（DC：AdeancedDualCoolant）包层聚变电站（PPCS-C）、自冷锂铅包层聚变电站（PPCS-D）等设计方案；最近又发展研究了氦冷锂铅（HCLL：HeliumCooledLeadLithium）包层方案，同时为了研究和验证氦气单冷锂铅包层的相关工程技术，在参与国际ITER项目时，提出了