GDT聚變中子源氚燃料循環初步設計與分析

孫新宇，王海霞，曾秋孫，賈江濤，魏世平，蔣潔瓊

(1.中國科學院核能安全技術研究所 中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.中國科學技術大學，安徽 合肥 230031)

GDT(Gas Dynamic Trap)是一種由中性束驅動的軸對稱線性磁鏡裝置，具有等離子體易實現穩態運行、結構簡單緊湊、技術實現難度較低、易升級與維護、氚消耗量低等特點[1-4]。目前，中國科學院核能安全技術研究所(INEST，CAS)和俄羅斯科學院布德科爾核物理研究所(BINP，RAS)正在聯合研發基于GDT概念的穩態氘氚聚變體積中子源，其建成后可作為聚變結構材料或部件的測試平臺，也可用于研究核廢料的嬗變處理、次臨界堆的控制[3-5]。目前已完成GDT聚變中子源(GDT—FNS，GDT-based fusion neutron source)主體裝置的初步概念設計。

氚作為GDT聚變中子源的燃料之一，在自然界中的含量極少[6]，目前人們使用的氚都來于人工生產，價格十分昂貴(約30000$/gT)。氚燃料在真空室內的燃燒份額很低，建立安全而高效的閉式氚燃料循環(TFC，Tritium Fuel Cycle)系統，一方面可以降低燃料的成本，提高氚燃料的經濟性，另一方面也保障了裝置的安全運行[7]，保證了工作人員及周邊居民的安全性，是GDT聚變中子源的研發路線中的重要一環。

本文首先分析GDT裝置在氚燃料循環方面的特點，然后參考最新的國際熱核實驗堆ITER[8-10]與聚變示范電站DEMO[11,12]的設計，完成氚燃料循環方案的初步概念設計。結合平均滯留時間模型[13]，利用氚分析程序[14,15]，從氚燃料成本的角度(包括氚在系統內的盤存量以及最小初始投料量等)出發，對方案的經濟性進行初步分析，旨在為該裝置氚燃料循環方案的選取以及日后的實際工程應用階段提供一定的參考。

1 GDT氚燃料循環特點

相比于ITER及DEMO等聚變堆，GDT聚變中子源在氚燃料循環方面的特點如下：

①氚燃料循環系統的運行規模較小。作為中子源裝置，GDT比ITER及DEMO的聚變功率小得多，使得氚在子系統間的質量流較小，故而無需如ITER規模龐大的氚工廠。

②由中性束驅動GDT聚變中子源的運行。中性束注入系統(NBI)將混合比例為1∶1的氘氚燃料注入真空室，補充快離子區的氘氚粒子損失，為氘氚聚變反應提供主要的反應物。

③沒有包括氚增殖包層、氚提取系統在內的燃料循環回路。GDT聚變中子源氚消耗量相對較低，沒有氚增殖包層，氚消耗可以通過商業氚來彌補，因此氚增殖和氚自持并不是其實現持續穩態運行的先決條件。

2 GDT氚燃料循環系統概念設計

GDT氚循環系統主要包含兩大部分，即物料注入系統和氚處理系統。為保證裝置在3MW聚變功率狀態下穩態運行，提出了三套GDT聚變中子源氚燃料循環方案，分別命名為GDT—TFC1、TFC2和TFC3。

2.1 物料注入系統

物料注入系統不僅需要補充真空室內氘氚粒子的燃耗，還需補充隨雜質氣體一起排出的燃料氣體，并且可以在啟動、運行和停止階段控制等離子體密度。本文考慮的物料注入系統包括加料系統和NBI。在裝置啟動階段之前，需先將外部供應的氘氚燃料貯存到貯存與輸運系統(SDS)中的金屬儲氫床內。然后，由SDS系統完成氣體分配，采用加料系統將燃料從兩端注入真空室，提供背景等離子體；采用NBI系統將混合比例為1∶1的高能氘氚離子注入真空室，補充靶等離子體的粒子損失。

目前在運的GDT裝置采用氣體注入技術作為主要的加料技術。鑒于氣體注入技術相對成熟、運行經驗相對豐富，本文提出的三套氚燃料循環方案均考慮采用氣體注入技術作為主要的加料技術。由于氣體注入對快離子區(聚變反應區)幾乎沒有貢獻，僅能維持背景等離子體的密度，理論上可以采用純氘氣注入[16]。三套方案在加料上的區別在于注入物料配比的不同：TFC1方案的加料系統注入純氘氣，TFC2和TFC3方案的加料系統注入混合比例為1∶1的氘氚氣體。由于NBI系統提供了主要的氘氚聚變反應物，因此TFC1方案的氚燃燒份額相對較高。

2.2 氚處理系統

本文考慮的氚處理系統包括6個子系統，分別是低溫泵、排灰氣處理系統(EPS)、同位素分離系統(ISS)、氣體除氚系統(A/VDS)、水除氚系統(WDS)和SDS系統。

相比于ITER裝置，GDT聚變中子源真空室內的氚轉移到面向等離子部件(PFM)或測試組件中的比例更低[1]，絕大部分未燃燒的氘氚燃料將隨著雜質氣體進入到氚處理系統進行處理，經過一系列的分離純化后得到純凈的氘氚燃料，然后通過物料注入系統再次進入真空室進行燃燒。

TFC1和TFC2方案的氚燃料循環回路參考ITER氚燃料循環設計。低溫泵的主要功能在于等離子體排灰氣體的輸運，無法實現氘氚與雜質氣體的分離。等離子體排灰氣體通過低溫泵進入EPS系統，實現氫同位素氣體和雜質氣體的分離。除去雜質的產品氣將被輸送到ISS系統進行氫同位素的分離，處理后得到純凈的燃料氣體輸送到SDS系統進行貯存，等待下一次注入。

TFC1方案的優勢在于，加料系統采取純氘注入的方式，使得氚燃燒份額較高，子系統間的氚質量流相對較小，但氚循環時間較長，氚處理流程較復雜。TFC2方案的優勢有兩點：①所有的物料注入系統均采取氘氚混合注入的方式，不需要氘氚元素分離的處理流程，ISS系統的主要功能是除氕，ISS得到了較大的簡化，使得同位素分離系統得到大大的簡化，縮短了氚循環時間；②輸送到SDS系統的混合燃料氣體包括D2、DT、T2，無需分類貯存，SDS系統得到了一定的簡化。不足是子系統間的氚質量流相對較大，系統處理負荷較大。

相比于TFC2方案，TFC3方案的特點是具有兩條氚燃料循環回路：在低溫泵和加料系統之間多增加了一條稱之為直接內部循環(DIR)的氚輸運路徑，使得被泵出的排灰氣體在實現簡單除雜后，能夠快速回到物料注入系統，等待下一次注入。不同于ITER的低溫泵設計，TFC3方案擬采用兩級低溫泵技術：第一級為工作狀態，溫度為5K左右，用于冷凝排灰氣體；第二級為解吸狀態，溫度為20K左右，用于氫同位素單質氣體的再生。兩級低溫泵是DIR回路的關鍵系統，具有排灰氣體抽運與初步分離的功能，有助于降低氚燃料循環的時間。

氚燃料循環設計方案及相關子系統如圖1所示。三套不同氚燃料循環工藝方案的相關子系統及主要功能列于表1。

圖1 GDT聚變中子源氚燃料循環設計圖

表1 GDT聚變中子源氚燃料循環方案子系統功能

3 氚燃料循環分析

基于平均滯留時間模型，利用INEST開發的聚變堆氚分析軟件TAS，分析系統內的氚盤存量以及氚投料量，從氚燃料經濟性角度對方案進行初步評價。

3.1 物理模型

氚在子系統間的質量流用方程(1)描述。

(1)

Losses——第i個子系統的氚損失量；

Ii——第i個子系統內的氚盤存量；

Ti——第i個子系統的氚平均滯留時間。

3.1.1 氚注入速率

物料注入系統氚注入速率MT(g·s-1)為:

(2)

式中：N——氚燃燒速率，g·s-1；

β——氚燃燒份額，指氚燃燒速率與氚注入速率的比值；

MT,j——第j種物料注入方式的氚注入速率，g·s-1。

NBI系統的氚注入速率MT,1(g·s-1)為:

(3)

式中：AT——氚離子的摩爾質量，取3.016 g/mol；

PNBI——是中性束注入系統的功率，W；

q——電子伏特(eV)和焦耳(J)的換算系數，取1.602×10-19J/eV；

N0——阿伏伽德羅常數，取6.022×1023/mol；

ENB——中性束粒子能量，eV。

加料系統的氚注入速率MT,2(g·ss-1)為:

(4)

式中：Λ——等效電流數，它表示單位時間內注入的粒子數乘以每個粒子所帶的電荷量，eq.A。

3.1.2 氚損失速率

聚變功率為1 MW的氘氚聚變裝置穩態運行一年(8766 h)需要燃燒56 g氚，換算得到氚燃燒速率N(g·s-1)為:

(5)

式中：Pfus——裝置的聚變功率，與快離子的平均密度、氘氚反應率、快離子區(聚變反應區)的體積有關，MW。

GDT聚變中子源中的氚損失途徑，除燃燒之外，本文還將考慮其他兩種損失方式，即衰變損失λ和非放射性損失ε。氚的半衰期約為12.323年，這意味氚的衰變損失率約為1.73×10-9s-1。氚非放射性損失率包括吸收、泄漏等方面，依據ITER每年對環境釋放的氚不高于0.6 g的要求，GDT聚變中子源的非放射性損失也應當控制在很低的水平。本文為簡化計算，暫不區別各個子系統內的非放射性損失率，均取為1×10-8s-1。

3.1.3 系統盤存量與最小初始投料量

(6)

t——裝置的運行時長。

3.2 參數設置

利用上述GDT聚變中子源氚燃料循環模型，結合其裝置的特點，在實現3 MW聚變功率的前提下，設置的主要參數見表2。

3.3 初步計算結果及分析

圖2 系統盤存量與GDT聚變中子源運行時長的關系

圖3 最小初始投料量與GDT聚變中子源運行時長的關系

在現階段的工程技術水平之上，GDT聚變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)，將在一定程度上簡化ISS系統，節約復雜ISS系統的建造成本，縮短氚循環時間。但是，由于氚質量流的增大，使得系統氚盤存量顯著增加，所需的最小初始投料量也明顯高于采用氘氚分離注入的方案(TFC1)。結果顯示，從氚燃料經濟性(系統盤存量和最小初始投料量)角度考慮，TFC1方案結果最優，TFC3方案次之，TFC2方案再次之。顯然，合理改變燃料配比將有助于提高氚燃料的經濟性。

表2 GDT聚變中子源氚燃料循環方案設計參數

低溫泵處理排灰氣體的過程對TFC3方案的氚燃料循環過程至關重要，但低溫泵工藝目前仍處于概念設計階段，建造和運行成本可能較大，氚平均滯留時間等參數還有待驗證。本文考慮低溫泵平均滯留時間的調節范圍為400～2 400 s，模擬得到低溫泵平均滯留時間與系統盤存量的關系。從圖4中可以看出，低溫泵平均滯留時間與系統盤存量呈線性關系。當平均滯留時間低于1 560 s時，TFC3方案將優于TFC2方案；當平均滯留時間低于446 s時，TFC3方案將優于TFC1方案。TFC3主要借鑒了最新的EU-DEMO氚燃料循環設計，是氚燃料循環研究領域的熱點方向之一。

圖4 TFC3方案中，低溫泵平均滯留時間與系統盤存量的關系

4 總結

本文結合GDT在氚燃料循環方面的特點，參考ITER和DEMO氚燃料循環設計，完成GDT聚變中子源的氚燃料循環初步概念設計。根據物料注入方式、氚處理系統功能、循環回路等不同，分別提出了三套氚燃料循環方案，并分析在系統氚盤存量、氚投料量方面的差異，從氚燃料經濟性的角度出發，對方案進行了初步的評價，為GDT氚燃料循環方案的選取提供了一定的參考。在實際工程階段，應盡可能降低系統內的氚盤存量以及初始投料量。下一步將根據最新研究進展，構建更加詳細的且接近實際的氚燃料循環方案，并結合經濟性和工程可行性進行優化與分析。

致謝

本文工作得到了IAEA CRP項目(22776)、安徽省自然科學基金(1908085MA17)的支持，在此感謝中科院核能安全技術研究所·鳳麟團隊其他成員的幫助和指導，感謝俄羅斯科學院核物理研究所Vadim Prikhodko博士在相關問題上給予的耐心解答。