中国聚变工程实验堆氚工厂内燃料循环与氚输运模拟研究
为了实现聚变能早日应用，国际上正在推进聚变堆设计和建设。我国主导的中国聚变工程实验堆(CFETR)基准聚变功率为500兆瓦，设计启动氚燃料约为2千克。由于氚资源珍稀昂贵，CFETR氚工厂内燃料循环降低氚盘存量的同时，需要快速处理和回收大量的氚实现氚自持。氚作为一种重要的放射性源项，极易因渗透和泄漏而释放到手套箱和房间并造成污染，不仅造成宝贵氚资源的损失，而且直接影响工作人员和公众安全。准确模拟氚输运过程就变得至关重要，特别需要对氚意外释放和除氚行为进行研究。本文从堆内氚安全的角度出发，进行了CFETR氚工厂内燃料循环模拟，正常运行氚源项评估和氚快速回收研究，开展了典型运行事件和事故工况下氚输运模拟研究，评估CFETR氚工厂氚泄漏、包容、房间内迁移和除氚等情况。 首先，阐述了燃料循环理论和系统动力学方法，建立了系统氚燃料循环模型并将其与中国氦冷固态增殖剂实验包层系统(CN HCCB-TBS)氚循环模拟结果进行对比。接着阐述了氚输运理论与有限差分和有限元方法，建立了部件氚输运模型并与国际热核聚变实验堆(ITER)运行事件氚泄漏模拟结果进行对比;建立了房间氚泄漏模型并与美国氚系统试验组合装置(TSTA)氚处理主室氚泄漏实验和模拟结果进行对比。验证了系统氚燃料循环、部件和房间氚输运模型的准确性，为CFETR氚工厂内燃料循环氚处理与氚泄漏、房间氚输运安全分析提供了一套准确的模型。 然后，引入直接内部回收(DIR)新技术到CFETR氚工厂内燃料处理并基于动态系统仿真程序Simulink建立平均滞留时间模型，计算了各个子系统氚盘存量和氚渗透量，评估了DIR置前设计(捷径设在托卡马克排灰气处理系统TEP之前)与置后设计(捷径经过TEP第一级)、DIR分数大小和氚处理时间对氚源项的影响。研究结果显示，除了燃料存储与输送系统(SDS)之外，氚盘存量最多的是TEP。DIR置前设计比置后回收更多的氚到SDS，降低了主处理回路真空泵、TEP氚盘存量和氚渗透量。DIR置前设计存在明显优势，因此本文建议适当采用DIR置前设计对CFETR氚工厂内燃料循环进行优化。给定设计基准氚增殖率(TBR=1.2)，进一步评估CFETR最小初始氚投料量为569.7克。 基于有限差分方法利用氚输运程序EcosimPro对CFETR氚工厂内燃料循环关键系统TEP三级燃料处理工艺进行更为细致的部件氚输运建模，获得了各个子部件氚处理情况和氚分布，评估了TEP氚处理性能。选取TEP氚处理管线双端断裂稀有事故作为内燃料循环运行事件进行模拟，得到了手套箱和房间氚输运情况，并分析TEP隔离响应、二次屏障手套箱和手套箱除氚系统的安全包容特性。研究结果表明:TEP三级处理整体去污因子约为2.6×108，能够满足除氚性能设计目标。由于手套箱的二次包容和有效除氚，运行事件TEP氚处理管线双端断裂不会造成重大的辐射泄漏。 最后，为了研究氚工厂房间事故氚输运行为，进一步选取TEP氚处理管线双端断裂同时手套箱破口导致的氚泄漏作为CFETR氚工厂内燃料循环极限事故;基于多物理程序COMSOL建立TEP房间三维模型，开展事故工况下氚迁移和除氚行为模拟，评估了房间通风设计、湿度条件和氚气与氚化水同位素交换率以及壁面材料等关键因素对除氚的影响，研究结果表明:发生事故时，除氚系统尽量以最大通风量运行或者增加出风口;出风口设置在顶部比在侧边氚浓度减少约25％和房间向下聚集;总通风量不变情况下，增加一个出风口能使房间氚浓度降低约50％;同位素交换率越大，氚化水产生越多。 本文研究工作从堆内氚安全的角度出发，建立了从氚工厂燃料循环系统到关键部件，最后到氚工厂房间三级包容氚循环与输运行为模拟流程和方法，较为系统地对CFETR氚工厂内燃料循环正常运行和瞬态工况氚源项与氚泄漏进行了研究，对内燃料循环和氚安全包容进行了优化设计，可为聚变堆氚自持和氚安全研究提供一定的参考。
中国聚变工程实验堆;氚工厂;氚输运;燃料循环;数值模拟
中国科学技术大学
博士
核能科学与工程
吴宜灿
2021
中文
TL641
2021-09-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）