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聚变堆固态产氚包层中子学优化方法研究与应用

屈伸 曹启祥 武兴华 尹苗 赵奉超 王学人 段旭如 王晓宇

屈伸, 曹启祥, 武兴华, 尹苗, 赵奉超, 王学人, 段旭如, 王晓宇. 聚变堆固态产氚包层中子学优化方法研究与应用[J]. 核动力工程, 2022, 43(S2): 143-149. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0143
引用本文: 屈伸, 曹启祥, 武兴华, 尹苗, 赵奉超, 王学人, 段旭如, 王晓宇. 聚变堆固态产氚包层中子学优化方法研究与应用[J]. 核动力工程, 2022, 43(S2): 143-149. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0143
Qu Shen, Cao Qixiang, Wu Xinghua, Yin Miao, Zhao Fengchao, Wang Xueren, Duan Xuru, Wang Xiaoyu. Method Study and Application for Neutronics Optimization of Solid Tritium Breeding Blanket of Fusion Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(S2): 143-149. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0143
Citation: Qu Shen, Cao Qixiang, Wu Xinghua, Yin Miao, Zhao Fengchao, Wang Xueren, Duan Xuru, Wang Xiaoyu. Method Study and Application for Neutronics Optimization of Solid Tritium Breeding Blanket of Fusion Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(S2): 143-149. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0143

聚变堆固态产氚包层中子学优化方法研究与应用

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.S2.0143
基金项目: 国家自然科学基金(12205077, 11905046)
详细信息
    通讯作者:

    屈 伸(1993—),男,助理研究员,工学博士,现主要从事聚变堆中子学研究,E-mail: qushen@swip.ac.cn

  • 中图分类号: TL99

Method Study and Application for Neutronics Optimization of Solid Tritium Breeding Blanket of Fusion Reactor

  • 摘要: 为提升聚变堆包层产氚性能,更好地满足氚自持要求,首先,基于中子微扰理论与模拟退火算法开发了适用于聚变堆产氚包层(TBB)中子学优化新算法与新程序。其次,选取中国聚变工程实验堆(CFETR)氦冷固态包层,完成了全堆中子学性能优化的示范性应用。最后,对优化后的包层方案进行了热工、流体、结构的三维有限元校核。结果表明:①相比于传统包层中子学优化算法,本文所提出的优化算法具有更好的优化效果与更高的优化效率;②本文所开发的智能优化程序可更好地满足聚变堆TBB中子学优化与设计的需求,可为包层设计提供算法理论基础与程序支撑。

     

  • 图  1  聚变堆TBB中子学优化创新流程

    Figure  1.  Innovative Process for Neutronics Optimization of Fusion Reactor TBB

    图  2  包层整体布局(一个扇区)

    Figure  2.  Overall Layout of Blanket (One Sector)

    图  3  氦冷包层模块结构设计

    Figure  3.  Structure Design of Helium Cooled Blanket Module

    图  4  CFETR典型包层模块中子学模型

    Figure  4.  Neutronics Model of CFETR Typical Blanket Module     

    图  5  CFETR HCCB TBB 22.5°扇区中子学模型(左)与CAD反转模型(右)

    Figure  5.  Neutronics Model of 22.5° Sector of CFETR Helium Cooled Solid TBB (Left) and CAD Inversion Model (Right)

    图  6  CFETR HCCB TBB模块TBR分布

    Figure  6.  TBR Distribution of CFETR HCCB TBB Module

    图  7  CFETR HCCB TBB模块内部氚增殖区TBR分布

    Figure  7.  TBR Distribution in Internal Breeding Zone of CFETR HCCB TBB Module

    表  1  组合优化问题与TBB的TBR优化问题的相似性

    Table  1.   Similarities between Combinatorial Optimization and TBR Optimization of TBB

    组合优化过程聚变堆TBB的TBR优化问题
    包层设计方案
    目标函数TBR
    最优解TBR下的包层设计方案
    设定初始温度设定退火初始温度
    抽样过程随机产生新方案
    控制参数的下降降温
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    表  2  各典型CFETR HCCB TBB 模块增殖区径向厚度

    Table  2.   Radial Thickness of Each Breeding Zone of Each CFETR HCCB TBB Module

    增殖区编号径向厚度/cm
    #1~#4模块#5模块#6模块#7模块#8~#11模块
    Li-11.41.41.51.61.1
    Be-11.61.65.54.12.7
    Li-21.61.61.61.91.7
    Be-22.82.86.16.62.8
    Li-31.71.72.73.12.0
    Be-33.93.99.52.44.8
    Li-41.81.85.62.2
    Be-45.85.87.0
    Li-52.32.33.0
    Be-511.111.13.7
    Li-63.94.8
    Be-613.1
      “—”表示不存在此区域的几何数据
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    表  3  优化后各典型包层模块增殖区径向厚度

    Table  3.   Radial Thickness of Breeding Zone of Each Typical Blanket Module after Optimization

    增殖区编号径向厚度/cm
    #1~#4模块#5模块#6模块#7模块#8~#11模块
    Li-11.11.31.21.41.3
    Be-11.81.84.82.02.2
    Li-21.11.01.41.51.1
    Be-22.82.86.85.03.2
    Li-31.01.01.03.41.3
    Be-35.14.713.56.45.6
    Li-41.51.63.81.6
    Be-47.37.47.8
    Li-52.41.62.4
    Be-511.312.24.5
    Li-64.23.4
    Be-611.4
      “—”表示不存在此区域的几何数据
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    表  4  CFETR氦冷包层各典型模块中子壁负载

    Table  4.   Neutron Wall Loading of Each Typical Module in CFETR Helium Cooled Blanket

    包层模块编号NWL/(MW·m−2)
    #11.00
    #21.33
    #31.69
    #41.51
    #51.23
    #60.87
    #70.64
    #80.58
    #91.17
    #101.09
    #110.52
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    表  5  CFETR氦冷包层各个典型模块热工校核计算结果

    Table  5.   Calculation Results of Thermal Check of Each Typical Module in CFETR Helium Cooled Blanket

    包层模
    块编号
    ODS钢温度/KLi4SiO4温度/KBe温度/K
    最高温度许用温度最高温度许用温度最高温度许用温度
    191092311451173911923
    291492310961173919923
    389492311511173918923
    487992311201173921923
    589592310201173920923
    691892311601173921923
    790192311201173918923
    989192311061173903923
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-08-23
  • 修回日期:  2022-10-10
  • 刊出日期:  2022-12-31

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