临界包层概念设计论文范文

1总体结构

以等离子工作腔为分界面，次临界包层被分为内包层和外包层两部分［9］，考虑能在ITER装置上实现包层便利地安装拆卸，在总体结构上，次临界包层在环向360°被设计成36瓣。单瓣包层分别由第一壁（FirstWall，简称FW）结构、支承结构、燃料区结构、产氚区结构、锆包壳结构和出入口汇管结构等组成，环向张角为10°，径向厚度为0．47m，极向高度为10．24m，在三维空间上呈“D”字型结构，如图1所示。

2第一壁结构

第一壁结构是次临界包层的重要功能部件，它需要承受热载荷、14MeV高能中子和带电粒子辐照的同时作用。为了提高第一壁材料抗辐照损伤的能力，选用低活化铁素体／马氏体（RAFM）F82H钢材料。第一壁结构如图2所示，在第一壁的上下端及中间部位设计有燕尾结构，其目的是使第一壁与燃料区一侧的锆包壳相互嵌合以固定第一壁，第一壁径向厚度为10mm，内外包层面向等离子体面积分别为7．55m2和13．89m2，结构体积为0．21m3，质量为1．69t。

3支承结构

支承结构由极向纵骨、加强筋板、周向筋骨、径向筋骨等结构组成。经分析，次临界包层结构在运行工况下受力复杂，共需承受重力、系统压力和热应力三种主要外载荷，单瓣包层重量约30t，系统压力是燃料区内嵌冷却剂管道所承受的15．5MPa水压，热应力为燃料区中大量U－10Zr合金的裂变释能而产生的沿极向和径向的温度梯度分布。为了实现对整个内外包层在极向的结构支承，在内外包层中分别设计有4根极向纵骨，纵骨在内外包层截面中的设计位置示意如图3所示。在周向和径向设计加强筋板、周向筋骨、径向筋骨以提高包层的稳定性以及整个支承结构的刚性。支承结构是由具有优良抗弯和抗压性能的SS316L（00Cr17Ni14Mo2）不锈钢通过焊接加工制成，它是整个包层的支承和固定结构［10］。以内包层为例。

4燃料区结构

燃料区结构由裂变燃料U－10Zr合金、内嵌冷却剂压力管和支承结构中的加强筋板及部分径向筋骨组成［11］。4．1燃料区燃料区是组成次临界包层活性区的基本结构单元，其主要功能是实现中子倍增和通过核反应而产生大量裂变能，它是包层的主要释热部件。燃料采用U－10Zr合金，这主要是由于U－10Zr合金燃料铀密度高，Zr对中子吸收少，实现能量输出与放大性能好；二是合金燃料导热系数大，利用内嵌冷却剂压力管能够及时地带走活性区核热；三是合金燃料可以更容易地进行“简单干法”后处理，可把燃料加热到1700℃左右，达到沸点的裂变碎片便可去除燃料区。加强筋板和部分径向筋骨承担作用在燃料区的外载荷并把这些载荷传递到支承结构上，同时加强筋板还兼顾对内嵌冷却剂压力管的定位与导向作用。4．2内嵌冷却剂压力管燃料区中6层内嵌冷却剂压力管道被设计成由底至顶完全贯通的结构，且按照三角形交错排列。由于受ITER装置本体结构空间的约束，内外包层随着极向位置的变化而引起了管间距离和铀－水体积比变化。外包层6层冷却剂管道按48根与47根相间排布，共有285根，内包层6层冷却管道按32根与31根相间排布，共有189根。

5产氚区结构

产氚区是整个聚变－裂变混合能源系统实现氚自持的关键功能结构，产氚区结构由氚增殖剂小球区、慢化冷却水管、管间连接板、“蛇形”氦气回路和支承结构中部分径向筋骨组成［12］。产氚区中的慢化冷却剂管道和氚增殖剂小球区在空间上是互相独立的单元。在结构上，为了保证燃料区中富余的中子进入产氚区后进一步被慢化再与锂－6反应而生产氚，并及时带走一部分多余的核热，产氚区中慢化冷却管道被设计成由底至顶完全贯通的结构，由慢化冷却管和管间连接板把产氚区分成9层，各层之间的空间便构成了氚增殖剂小球填充区。为了形成“蛇形”氦气回路，管间连接板的高度不等，形成高低错位设计以便控制氦气流动方向，部分径向筋骨承担作用在产氚区外载荷和传递来自燃料区的外载荷到支承结构上。同样，由于受ITER装置本体结构空间的约束，内外包层随着极向位置的变化而引起了慢化冷却层和氚增殖剂厚度的相应变化。

6锆包壳结构

锆包壳是核燃料裂变产物的主要屏障，燃料区和产氚区均有锆包壳完全包覆，从而防止裂变产物泄漏到活性区或整个包层，燃料区和产氚区的锆包壳为一种箱匣式密封结构。对于燃料区锆包壳，由于在第一壁的上下端及中间部位设计有燕尾结构（图2），相应地在燃料区径向内侧的锆包壳上设计有对应的燕尾槽，如图7所示。为了保证锆包壳的结构密封，在燃料区径向内侧锆包壳的周向侧设计有金属型挤压密封卡槽，如图8所示。从图3可以看出，有2根极向纵骨设计在燃料区和产氚区包壳层顶角部位，相应地在燃料区径向外侧锆包壳顶角处设计有极向纵骨半槽。对于产氚区锆包壳，由于有2根极向纵骨设计在燃料区和产氚区包壳层顶角部位（图3），相应地在产氚区径向内侧锆包壳顶角处设计有极向纵骨的另一半槽。同时由支承结构可以看出，在周向两侧和径向外侧设计有径向和周向筋骨，相应地在产氚区周向两侧和径向外侧的锆包壳上设计有筋骨贯穿槽。

7出入口汇管结构

由于受ITER装置本体结构空间的约束［13－14］，次临界包层的出入口汇管只能在有限空间中实现各类功能管道的汇总，其中包括燃料区中的大量内嵌冷却剂压力管、产氚区中慢化冷却水管和氦气管。考虑大量冷却剂压力管与汇总管之间焊接的可操作性，在燃料区的上下端部先设计一个焊接顶盖。燃料区的内嵌冷却剂压力管先汇入上下环形总管中，该汇总管再与ITER上下端口出入口总管相接并引出到外面的主回路系统。在产氚区中，慢化冷却管和氚载带管均采用“蛇形”流气结构设计，这样9层慢化冷却管只需要汇总一次后连接慢化冷却总管，再经ITER上下端口出入口总管引出到外面的氚回路系统。对于氚载带管，先在产氚区上下端设计有出气和进气槽，然后再通过氚载带管把进出气槽的载带气体引入到氚载带气总管内，再经ITER上下端口出入口总管引出到外面的氚回路系统，以出口为例燃料区和产氚区汇管结构如图11所示。

8结论

由于ITER装置上现有的屏蔽包层模块和产氚包层模块均是采用小模块结构，数量多达421块，装拆工作量大而且支撑结构方案无法直接移植借用，所以本文提出了整体式内置次临界包层支承结构，这样可以使包层裂变燃料区冷却剂管道设计得到很大的简化，降低包层结构的复杂性、缩短换料周期、提高工作效率和节约成本。考虑到ITER装置本体结构空间对次临界包层的约束限制，提出了一种可行的次临界包层裂变燃料区冷却剂管道、产氚区H2O慢化剂管道和氦气载带等功能管道的出入口汇管结构，这样既不会和ITER装置的上端口和下端口发生冲突，又能满足包层的热工流体和焊接安装的可操作性要求。针对包层结构本体的各个组成部件，结合现有的工艺和技术条件［15］，开展了次临界包层总体结构概念设计，这为后续的包层力学性能分析输出了有限计算模型。

作者：曾和荣黄洪文刘志勇李正宏钱达志梁尚明郭海兵马纪敏王少华宋娟单位：中国工程物理研究院核物理与化学研究所四川大学制造科学与工程学院