!第!"卷第#期原子能科学技术$%&'!"!(%'# !)*))年#月+,%-./0123456/.21/271892/:1%&%45;71')*))
祝庆军# 陈舞辉# 鲍!杰) 赵子甲A 杜!华# 黄!凯# 刘松林# %
"#'中国科学院等离子体物理研究所!安徽合肥!)A**A#)
)'中国原子能科学研究院核物理研究所!北京!#*)=#A)
A'国防科学技术大学文理学院!湖南长沙!=#**D A#
摘要 水冷陶瓷增殖剂"L W W U#包层作为中国聚变工程试验堆"W?09Z#候选包层之一!承担着氚增殖'核热提取'屏蔽等重要涉核功能!其中子学设计的可靠性直接影响W?09Z氚自持目标的实现(为验证中子学设计工具!即`W(Y和?(0X@A_*数据库!在L W W U包层中子学设计中的可靠性!基于研制出的L W W U包层模块!在X9中子环境下开展中子学实验!对以产氚率"9Y Z#为代表的中子学参数进行了模拟值"W#和实验值"0#对比分析(结果表明!模块中轴线位置处9Y Z的W*0为*_C D!#_*<!而模块边缘位置处9Y Z的W*0为*_"!!*_<))模块钛酸锂层边缘区#C D+G"1!+##C<+G反应率的W*0为*_D)! *_C*!表明模块边缘区存在非期望的散射中子!导致该区9Y Z模拟值和实验值偏离较大(
关键词 W?09Z)水冷陶瓷增殖剂包层)中子学实验)产氚率
中图分类号 9@"D文献标志码 +文章编号 #***B"C A#")*))#*#B*#)D B*C
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,:232&.7S.&.,5%V,:212G,3%1./P82P.41,%%&!.'2'`W(Y718?(0X@87,7S7P2P!.1,:2 L W W US&71F2,12G,3%1./P82P.41!,:2L W W UP/7&.14B8%R1-%/FG T R7P82O2&%T28,% /7335%G,,:212G,3%1./P2H T23.-21,.1,:2X912G,3%121O.3%1-21,!.1/&G8.14,R%
收稿日期 )*)*B#*B#C)修回日期 )*)#B*=B#<
基金项目 国家磁约束聚变专项")*#D N?0*A*#"*#!)*#D N?0*A*#"*=#)国家自然科学基金"###D!)*D#
%通信作者 刘松林
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32P G&,.14.1,:2:.4:23 9Y Z,:712H T2/,28'9:2V G3,:232H T23.-21,P732122828,%O23.V5,:2.1V&G21/2%V,:2 P/7,,232812G,3%1%1,:29Y Z7,,:22842324.%1%V,:2-%/FG T'9%.1O2P,.47,2,:29Y Z 47T S2,R221P.-G&7,.%1718,:22H T23.-21,7&32P G&,P V3%-&.,:.G-4&7P P82,2/,%3P!,:2 /%1,3.S G,.%1%V,:2V7P,12G,3%1P%1,:2"@."1!,#=>2P:%G&8S2V G3,:23P,G8.28'+&P% ,:2%,:23P G442P,.%1P732T3%O.828V%3V G3,:232H T23.-21,7&32P273/:!32V23.14,%,:2 378.7,.%1T3%,2/,.%1P7181G/&273-27P G32-21,P'
:*'7".!-+W?09Z)L W W US&71F2,)12G,3%1./P2H T23.-21,),3.,.G-T3%8G/,.%137,2
!!氘氚聚变!因其反应温度较低'反应截面较大!是未来最有可能首先实现能源用途的聚变反应(当前磁约束聚变堆物理设想是通过磁场约束高温氘氚等离子体进行持续核聚变!堆芯四周的包层则提取高通量聚变中子所沉积的核热!用于后续的热电转换(据估计对于设计功率为#_!KL的聚变堆!满功率条件下氚的消耗量将达到<=F4*7左右"!"F4*"KL07##,#-!但地球上自然界氚总量仅为A_!F4,)-!通过重水反应堆的产氚量较乐观估计也仅不到AF4*7,A-!且氚库存量将因氚衰变每年损失约!_D=b!长期贮存代价高昂!现有的氚供给途径难以满足聚变堆需求(长期来看!聚变堆在投入首炉氚燃料后!后续的氚燃料补给只能依赖自身!即聚变堆运行必须实现氚自持(聚变堆的氚自持期望通过两个循环实现!即等离子体燃烧内循环和氚增殖包层氚提取外循环(其中内循环是存量氚的转移!而外循环涉及氚的增殖!是实现氚自持的关键(因聚
变堆氚自持的需求!氚增殖比"9U Z#是包层设计中的刚性指标(氚自持对9U Z最低要求约为#_*!,A-!由于受诸多条件制约!目前包层设计方案预计可实现的9U Z 大都在#_#!,#-左右!因此聚变堆9U Z安全裕量约为设计值的C b!这意味着g C b以上9U Z 不确定度将可能对氚自持造成颠覆性影响(尽管当前中子学输运程序,!-和建模软件,"-发展迅速!但中子学设计中不可避免的近似处理以及核截面数据的不确定性!必将导致中子学计算结果存在不确定性(国内外针对各自包层概念设计方案!开展了一系列包层模块中子
<
)
#原子能科学技术!!第!"卷Copyright©博看网 All Rights Reserved.
学实验!用于评估包层中子学设计工具在模块产氚率"9Y Z #计算上的准确性!其中以日本开展的实验最具有代表性(日本和美国于#C <)年开始联合开展基于@.)\氚增殖材料的包层模块中子学实验!
联合实验的结果表明总体上9Y Z 模拟值和实验值的相对误差在#*b 以内,D -!随后日本开始考察基于@.)9.\A 材料的水冷包层模块!9Y Z 模拟值与实验值之间的相
对误差时有反复,<B C -!但对误差来源的认识不断
加深!
为后来的中子学实验提供了很好的借鉴(近年来又开展了在线提氚和测氚的实验,#*B ##-!
在更加接近于真实工况条件下!9Y Z 模拟值和实验值的相对误差仍保持在#*b 以内(
我国于)*#!年正式提出中国聚变工程试验堆"W ?09Z #
研究计划,#)B #A -
!目标是实现稳态
或长脉冲氘氚等离子体燃烧(水冷陶瓷增殖"L W W U #包层概念作为W ?09Z 候选包层之
一,
#=-!已经过多轮设计优化,#!B #D -(典型的L W W U 包层!增殖剂采用@.)9.\A !
倍增剂采用U 2#)9.和U 2!结构钢采用Z ?+`钢!第一壁铠甲采用L !冷却剂采用>)\(针对L W W U 包
层模块中子学实验!前期完成了实验模块研制
,#<-'X 9中子发生器源项模型研究
,
#C B )*-
'中子测量技术预研,)#-!以及实验模块中轴线位置处 中子学参数验证,
))-!在此基础上!本文拟完成实验模块边缘区中子学参数测量分析!并对实验模块内所有测量点以9Y Z 为代表的中子学参数进行模拟值*实验值"W *0#
分析(;!实验模块研制与探测器研发
在参考W ?09Z 赤道面外包层基础上!
完成了L W W U 包层实验模块的设计,#
<-(实验模块的功能部件尺寸为)**_*--"环向#]
)**_*--"极向#]#<D _"--"径向#!径向依次为钨板")_*--#'冷却板#")*_*--#'氚增殖区#"#A _"--#'U 2板#"!*_*--#'冷却板)"##_*--#'氚增殖区)")*_*--#'U 2板)""*_*--#'冷却板A "##_*--#!如图#所示(其中氚增殖区#由@.)9.\A 板1和2组成!可通过交换1和2的位置保持在线探测器和离线探测器处于模块内同一位置)氚增殖区)由@.)9.\A 板3和4组成!
同样可通过交换3和4的位置保持在线探测器和离线探测器处
于模块内同一位置
(
图#!实验模块主要部件.4'#!`7.1/%-T %121,%V-%/FG T
相对于参考包层!模块对材料的近似处理如下+##模块采用U 2板代替U 2#)9.小球和U 2小球作为中子倍增区))
#模块采用天然锂丰度的@.)9.\A 低密度板材"
)_*4*/-A
#代替球床作为氚增殖区)A #模块采用聚乙烯材料代替包层中高压水冷却剂(模块设计中的中子学参数的模拟采用`W (Y "?0(X @A _*数据库#
!分别基于托卡马克等离子体源项'X 9中子发生器源项!获得模块和包层在第一氚增殖区内的中子能谱!如图)所示(虽然因源项'几何等因素导致能谱在绝对数值上差距较大!但在形状上较为相似!表明即使缩比简化后的实验模块仍能基本体现包层原有的中子学特点(通过能谱相似'
反应相似的模块中子学实验!评估包层9U Z 计算的可靠性!为合理设置9U Z 的安全裕量提供依据(需注意的是!当前对9U Z 有显著影响的聚变堆部件!如第一壁'贯穿通道等!设计方案尚未明确!方案的变动难免导致9U
非煤矿山六大系统
Z
图)!模块与包层在第一氚增殖区的
模拟中子能谱比较,
))-.4')!W %-T 73.P %1%V P .-G &7,2812G ,3%1P T
2/,37.1,:2V .3P ,S 3228.14-7,23.7&&75
23,))
-
C
)#第#期!!祝庆军等+W ?09Z 水冷陶瓷增殖剂包层模块产氚率实验验证Copyright©博看网 All Rights Reserved.
波动!因此9U Z 的安全裕量设置不仅需要考虑
计算因素!也需要考虑工程因素,)A -(
在线和离线探测器布置如图A 所示(离线探测器包括用于9Y Z 监测的@.)9.\A 片以及中子场监测的活化箔!
其反应道列于表#(离线探测器组装方式示于图A 7'S !组装后的模块如图=7所示(在线探测器采用自行研发的微型锂玻璃探测器"=_*--]=_*--]=_*--#!使用时嵌入预先加工的孔道中!探测器信号线通过预先加工的槽与外界相连!
在线探测器组装如图A /所示!组装后模块如图=S 所示
阿荣旗一中
(
7&&&离线探测器在氚增殖区中组装)S &&&离线探测器在铍板中组装)/
&&&在线探测器在氚增殖区中组装图A !在线和离线探测器布置
?.4'A !+33714
2-21,%V %1B &.12718%V V B &.1282,2/,%3表;!实验涉及的活化反应道
/94*;!C */3%#",31/,,*4!&.#,M *S A
*.#+*,%核反应道
反应阈值*`2$
同位素丰度*b
产物半衰期*8
待测+射线能量*F 2$
#C D +G "1!+
##C <+G *_**#**)_D =#)#C D
+G "1!)1##C "+G <_*"#**"_)A !"C *
c 3"1!)1#<C c 3
##_C <
!#
A _A
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郑渊洁博客
C
7&&&离线测量状态)S &
&&在线测量状态图=!实验模块
.4'=!0H T 23.-21,7&-%/FG T
<!实验参数与模拟方法
实验在中国原子能科学研究院核数据国家重点实验室开展!采用直流*脉冲两用型中子发生器W Y (K "!现场图和蒙特卡罗模型如图!所示(实验模块内部共布置<；个测量点!如图"所示!在轴线上及边缘区各布置=个测量点(离线和在线测量状态下!模块内探测器布置列于表)(离线实验采用两种@.)9.\A 片来监测9Y Z !
模块内中子场测量采用"种直径为#*--的活化箔!即+&")**$-#'+G "A !$-#
'2"#A *$-#'`4"##*$-#'9.")**$-#'c 3"##*$-#
(活化箔放置顺序根据不同待测核反应道截面及诱发产物的半衰期确定!
烯丙基苯
以使
7&&&实验现场图)S &
&&蒙特卡罗模型图!!实验布局.4'!!0H T 23.-21,P 2,G T
每种活化箔获得较为合适的反应率(离线实验完成后!按照文献,)=-进行@.)9.\A 片处理!使用低本底液闪计数器完成氚浓度测量!再根据@.)9.\A 片参数和实验期间累积X
9中子源强度获得离线9Y Z 值)
采用标定后的高纯锗谱仪*
A #原子能科学技术!!第!"卷
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">Y K2#进行活化箔反应率的测量!而后根据活化片参数和实验期间累积X9中子源强度获得反应率(在线实验中!采用标定后的"@.和D@.两种锂玻璃探测器!在同一位置处分别进行能谱采集!再根据采集期间伴随计数对测量能谱进行归一化处理!然后在归一化的"@.玻璃测量能谱基础上!扣除归一化后的D@.玻璃测量能谱!计算单位采集粒子下的"@."1!,#=>2反应次数!再根据对应的源中子强度!获得单位源中子情况下由"@."1!,#=>2反应贡献的9Y Z
(
图"!实验期间模块模型侧视图
.
4'"!6.82O.2R%V-%/FG T-%82&8G3.142H T23.-21,
表<!探测器放置位置/94*<!)*%*3%".4"3/%#",
位置
离线测量在线测量活化片@.)9.\A片锂玻璃探测器
W6U c#c3'9.'`4'+&'?2'+G$#*_*--]=_#--"@.*D@.玻璃探测器W6U c)c3'9.'+&'`4'?2'+G$#*_*--]D_"--"@.*D@.玻璃探测器W6`c#c3'9.'+&'`4'?2'+G
W6`c)c3'+&'`4'9.'?2'+G太极图解
06U c#9.'+G$#*_*--]=_#--
06U c)9.'+G$#*_*--]D_"--
06`c#9.'+G
06`c)9.'+G
!!实验期间的源项参数列于表A!通过伴随
粒子法监测数据!基于自行开发的源项模
型,#C-!获得源强'能谱'角分布(源中子强度不
确定度按=b计(中子输运模拟采用`W(Y=W!
核数据库采用0(X@A_*!基于蒙特卡罗模型
"图!S#获得9Y Z和中子能谱的模拟值(基于
中子输运获得的中子能谱!采用J6Y+W9软
件"0(X?*U B'数据库#获得活化箔反应率的
模拟值(
表>!实验期间)?中子发生器源项参数
/94*>!$"&.3*#%*+A/./+*%*."()?,*&%.",
M*,*./%".!&.#,M*S A*.#+*,%
参数
数值
离线测量在线测量
X粒子能量!F2$)C<)C!
X粒子流强!$+##)_*A_)
中子源强!P^##_*)]#*#*)_<"]#*<；辐照时间!P)*=**>!结果及分析
模块中轴线位置处9Y Z和活化反应率的结果已有报道,))-!结合尚未报道的边缘区9Y Z 和活化反应率!本文对模块所有位置的测量结果进行分析讨论(9Y Z测量结果列于表=!离线和在线9Y Z的W*0的总体不确定度分别为g"b和g<b(对于轴线位置处的9Y Z!模拟值与实验值符合良好!两者差异在"b以内(对于边缘位置处的9Y Z!模拟值均小于实验值!两者最大差异达A!b!造成这种现象的原因可能是实验大厅内部放置的物体复杂!如加速器'屏蔽体等!在蒙特卡罗几何建模中难以完全体现!导致蒙特卡罗模拟低估了散射中子的9Y Z贡献!为验证这种推论!在边缘区9Y Z测量点附近布置反应截面与产氚截面类似的活化箔进行跟踪测量(
中子与"@.核的产氚反应"@."1!,#=>2为无阈反应!而#C D+G"1!+##C<+G反应同样是无阈反
#
A
#
砝码检定第#期!!祝庆军等+W?09Z水冷陶瓷增殖剂包层模块产氚率实验验证
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