GDT聚变中子源磁体屏蔽及实验系统中子学分析研究
聚变堆材料的中子辐照测试和部件在聚变堆内复杂极端环境（高能高通量中子辐照、离子辐照、强磁场和高热负载）下的性能确认与可靠性验证，是商用聚变能工程化应用亟待解决的问题。基于气动磁镜(GDT，Gas Dynamic Trap)的中子源具有等离子体参数要求低、结构简单紧凑、相对低的建造和运行成本并且符合聚变堆中子能谱等优点，非常适合作为聚变核材料和部件的测试平台。 中国科学院合肥物质科学研究院联合俄罗斯科学院布德科尔核物理研究所等国际知名机构研发起了基于气动磁镜的国际高通量聚变体中子源ALIANCE大科学计划倡议。目前ALIANCE正在开展详细概念设计，超导磁体系统屏蔽及实验系统的设计是重要环节。超导磁体系统的屏蔽设计可以降低磁体系统辐照损伤，保证磁体系统的稳定性，确保装置的安全稳定运行。实验系统是ALIANCE聚变体中子源实现聚变核材料/部件测试的核心系统，良好的设计能够充分利用ALIANCE聚变体中子源提供的测试空间，提高聚变中子的利用效率。因此本文对ALIANCE装置的磁体屏蔽系统及实验系统进行了初步设计，并使用SuperMC软件对其进行了中子学分析。主要包括以下研究工作: (1)基于ALIANCE装置紧凑的结构布局以及中子通量分布两端高中间低的特点，提出了一套针对ALIANCE超导磁体系统可行的屏蔽设计方案。该方案设计由传统的主屏蔽层与独特的磁喉屏蔽层组成。其中主屏蔽层采用40cm厚的316L不锈钢与水混合物，空间狭小的磁喉屏蔽层采用5cm厚漏斗锥形碳化钨，进一步阻挡芯部中子及带电粒子。基于上述屏蔽设计，建立了ALIANCE装置中子学模型，计算了超导磁体的核热沉积及快中子注量，磁镜线圈处的核热沉积和快中子注量最高，分别为296W/m3和9×1018n/cm2，均满足ITER的超导磁体限值。最后对ALIANCE装置的结构材料进行活化分析，计算了装置运行时结构材料的比活度、停堆后的比活度和衰变热以及主要放射性核素随停堆冷却时间的变化情况。并结合我国放射性废物分类标准，对ALIANCE装置结构材料进行放射性废物分类。结果表明，在停堆一年后，所有结构材料均降低为中低水平放射性废物。最后根据国际上聚变材料回收处理标准，提出了ALIANCE结构材料的后续处理方案。在停堆30年后，冷屏结构材料和碳化钨屏蔽层材料可以通过简单回收技术处理;在停堆40年后，不锈钢屏蔽层可以通过复杂回收技术进行回收处理。 (2)依据国际上对聚变材料、部件测试装置需求，提出了ALIANCE装置实验系统的设计目标。其次，开展了ALIANCE装置的实验系统的材料测试组件和部件测试组件初步方案设计，提出了一套可拆卸阶梯形屏蔽层以及转动测试平台设计，为远程遥操更换测试组件提供可能。然后使用SuperMC软件对实验系统进行了中子学计算，根据中子通量大小划分了高、中、低通量测试区，并计算了其体积以及中子通量梯度等，结果显示在整个试验系统内，中高通量区(＞6.6×1013n/(cm2·s)）的体积大约为1.8m3，中子通量梯度小于20％/cm，均满足ALIANCE装置实验系统的设计目标。最后计算了实验系统辐照损伤分布，并对测试模块的分布进行了初步设计。各个测试模块的测试环境，例如辐照损伤、温度等均能达到聚变辐照测试要求。 综上所述，本文开展的ALIANCE聚变体中子源超导磁体系统屏蔽与实验系统初步设计及分析工作，将为ALIANCE聚变体中子源的设计提供参考和支撑。
气动磁镜;聚变中子源;超导磁体;屏蔽系统;实验系统;结构设计
中国科学技术大学
硕士
核能科学与工程
郁杰
2021
中文
TL613
2021-09-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）