紧凑型聚变驱动次临界堆概念设计的初步研究

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1、ASIPP紧凑型聚变驱动次临界堆概念设计的初步研究陈美霞吴斌等离子体物理研究所2007.8.10ASIPP紧凑型聚变驱动次临界堆概念提出发电成本计算模型紧凑型聚变驱动次临界堆的经济性分析TSC程序对最优化点进行放电模拟主要内容ASIPP聚变能研究和发展的目标是设计制造可靠、安全、高效与环境相容性好的大规模商业聚变电站。发展聚变电站，除其要有高的安全性和好的环保性外，其经济性一直是概念设计与工程设计阶段考虑的重要因素。目前评价聚变电站经济性好坏的指标通常是电站全寿期平准化发电成本（Levelizedcosto

2、felectricity）,简称为发电成本（COE）。COE越低，则表明其经济性越好，商业竞争力越强。对于磁约束聚变堆，COE的大小主要取决于聚变堆总建造成本（Totalcapitalcost）、年固定费用率、年燃料成本、年运营与维护成本、年定期部件更换与更新成本、年研发成本、年退役成本、电站平均可用率与净电功率等因素。通常情况下，COE作为聚变堆芯重量、尺寸大小、聚变堆规模（如小半径、环径比、拉长比、净电功率）与年运行成本等的函数。在传统的托卡马克反应堆设计中，中心螺管的半径是由对等离子体电流爬升所要求的

3、伏秒数加上额外的磁通量来确定的。而结构紧凑的聚变驱动次临界堆是一种新的概念设计，中心螺管(CS)尺寸较小，在稳态时通过非自感来驱动等离子体电流，具有较小的环径比，可以获得较大的拉长比和较高的比压值。由于中心螺管尺寸较小，使得环向场线圈（TFC）也较小，从而可以减小反应堆的重量和结构成本。紧凑型聚变驱动次临界堆概念提出ASIPP本节简单介绍结构紧凑型聚变驱动次临界堆的成本计算模型。其成本主要是指发电成本（COE）、总投资成本（TCC）、年运行成本三项。发电成本COE的单位通常采用美厘/千瓦时(mill/kW.

4、h)。COE取决于电站总投资成本、年运行成本及固定费用率、物价浮动率、电站规模（如小半径、环径比、拉长比、净电功率）与电站有效率因子等因素，本文中所使用的COE与这些因素的关系采用文献[10]中的模型为：COE=106[CAC+(CF+CO&M+CSCR)(1+y)Y+CD&D+CR&D]/24（1）式中：CAC为年投资成本，CAC＝TCCFCR，M$；TCC为总建造成本,M$;FCR为年固定费用率（摊销率）；CF为运行起始年的年燃料成本(Fueling)，M$；CO&M为运行起始年的年运营与维护成本(Op

5、erationandMaintenance)，M$；CSCR为运行起始年的年定期部件更换与更新成本(ScheduledComponentReplacement)，M$；CR&D为年开发便于小风险示范堆运行的信息与技术的时间与资源的投资（研发）成本（年研发费用）(ResearchandDevelopment)，M$；CD&D为年净化与退役成本（DecontaminationandDecommissioning），M$；y为物价浮动率，%/a；Y为订货至交货周期，a；PE为电站输出净电功率，MW；pf为电站平均

6、可用率又称为电站有效率因子((levelized)plantcapacityfactoratmaximumpower)。其中，年净化与退役成本与研发成本由下式确定：Cj＝FCRjTDC(2)发电成本计算模型ASIPP其中TDC为直接成本，j＝D&D、R&D。参照文献[14]和公式（1）得COE模型为：(3)式中、、、分别为作为直接成本TDC的间接成本、年运营与维护成本、年部件定期重置与更新成本、年燃料成本的份额；UDC=TDC/PE(4)直接成本TDC可以分为5个子系统的成本与应急费用之和。这5个子系统的成

7、本分别为：土地成本与电站建筑与设施成本SITE、堆体成本FPC（FusionPowerCore）、主热交换系统成本PHT、辅助加热系统、电源、配电系统与能量存储系统成本HTG、电厂配套辅助系统成BOP（blanceofplant）（等于发电（透平）厂设备成本（TPE）+电气厂设备成本（EPE）+其他厂设备成本（MPE））。每个子系统的单位成本分别记为：UCSITE，美元/W；UCFPC，美元/kg；UCPHT，美元/W；UCHTG，美元/W；UCBOP，美元/W。每个子系统的应急费用因子分别记为：CONTS

8、ITE、CONTFPC、CONTPHT、CONTHTG、CONTBOP。令（5）其中j表示上述5个子系统，得UDC表达式：发电成本计算模型ASIPP发电成本计算模型其中：为电站热电转化效率因子；为输入堆芯功率的转化效率。式（6）QE与堆芯功率增益QP（QP等于聚变功率与进入堆芯辅助加热功率之比）关系由下式确定：（7）其中（8）MN是包层中能量增益因子，为维持BOP的电功率占总电功率PET的份额。TCC包括直接成本