CFETR離子回旋加熱天線中子學分析

伍秋染 盧 棚 鄭 俞 杜 華 徐 坤 王永勝童云華 陳 根 劉松林

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）

2（中國科學技術(shù)大學 合肥 230031）

3（合肥綜合性國家科學中心能源研究院 合肥 230031）

中國聚變工程試驗堆（China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）設(shè)計成能夠演示氚自持、熱能發(fā)電的托卡馬克聚變堆。實現(xiàn)受控核聚變的關(guān)鍵在于能夠加熱等離子體到足夠高的溫度，并長時間穩(wěn)定地約束等離子體。因此為實現(xiàn)聚變堆長期的穩(wěn)態(tài)運行，必須使用輔助加熱和非感應電流驅(qū)動的手段，當前CFETR的輔助加熱系統(tǒng)主要包括電子回旋共振加熱、離子回旋共振加熱、低雜波加熱和中性束注入［1］。CFETR離子回旋加熱波的饋入功率為12 MW，頻率為60～70 MHz，將由行波天線（Travelling Wave Antenna，TWA）經(jīng)一個上窗口引入。

天線對等離子體進行加熱，需要波能夠無障礙直接傳播至堆芯等離子體，因此需要占據(jù)部分包層的位置作為波傳輸通道。天線部件直接面對等離子體，其受輻照性能需要做詳細評估。另外，天線各部件間存在大量真空間隙，導致中子穿透該區(qū)域，增加真空室和窗口內(nèi)殼的輻照損傷；泄露的中子還將導致其后部的線圈磁體所受輻照增強。因此在天線周圍需設(shè)計屏蔽結(jié)構(gòu)，以減少真空室、線圈等部件所受的高能中子轟擊。

本文對引入離子回旋頻率范圍（Ion Cyclotron Range of Frequencies，ICRF）天線部件的 CFETR 扇段模型進行模擬計算，獲得了全堆中子通量，并通過計 算 真 空 室（Vacuum Vessel，VV）、縱 場 線 圈（Toroidal Field Coil，TFC）以及窗口的輻照損傷，評估當前模型屏蔽是否滿足材料限值要求，同時統(tǒng)計了天線各部件的輻照損傷以供后續(xù)的天線冷卻系統(tǒng)設(shè)計和壽命評估，相應的核響應參數(shù)包括DPA、氣體產(chǎn)生率（氦氣、氫氣）以及核熱密度。由于天線嵌入包層中，使得增殖材料體積減少，因此計算了天線引入后的氚增殖比（Tritium Breeding Ratio，TBR），以評價離子回旋加熱天線的引入對CFETR 的TBR 的影響。

1 計算模型與工具

本次計算使用的CFETR 模型為一個22.5°扇段，包含中心螺線管線圈、真空室、包層、偏濾器、縱場線圈、極向場線圈、冷屏、杜瓦和生物屏蔽層。其中包層模塊為中國科學院等離子體物理研究所開發(fā)的水冷陶瓷增殖包層（Water-cooled Ceramic Breeder，WCCB），其中子學評價已經(jīng)完成［2］。如圖1所示，包層和偏濾器的冷卻方式均為水冷，真空室內(nèi)外殼之間填充硼水以慢化中子；離子回旋加熱天線由上窗口引入，窗口內(nèi)包含包層管林和天線波導；包層在環(huán)向上內(nèi)側(cè)劃分為兩個模塊，外側(cè)劃分為3 個模塊，在極向上被劃分為11 個模塊，其中1～5#為外包層，天線發(fā)射端嵌入4#包層中，占據(jù)整個中間模塊，全堆僅有一個離子回旋加熱天線。

1.1 離子回旋天線結(jié)構(gòu)

離子回旋天線的主要幾何結(jié)構(gòu)如圖2（a），沿著遠離等離子體方向，主要包括法拉第屏蔽、電流帶、背板、傳輸線和支撐結(jié)構(gòu)，且各部件配有冷卻結(jié)構(gòu)，及時帶走來自堆芯輻照和自身運行所產(chǎn)生的熱量。天線的輻照端面共有8根電流帶，沿極向分為兩排，為SS316L 基材表面鍍銅件，內(nèi)通水冷；電流帶前附有一層法拉第屏蔽以保護電流帶并屏蔽一些不必要的場分量。如圖2（b）所示，法拉第屏蔽由基板、鉻鋯銅和鎢組成，其中鎢直接面對等離子體，鉻鋯銅作為熱沉，基板為SS316L鋼材料且內(nèi)通水冷。背板同樣選用SS316L材料，內(nèi)通水冷。

圖1 天線引入位置Fig.1 The position of antenna

圖2 天線主要部件 (a)天線結(jié)構(gòu)，(b)法拉第屏蔽結(jié)構(gòu)Fig.2 Main components of antenna(a)Antenna configuration,(b)Faraday shield configuration

同軸傳輸線由內(nèi)導（Inner-waveguide）和外導（Out-waveguide）組成，如圖3所示，壁厚均為3 mm，其中內(nèi)外導的內(nèi)徑分別為94 mm 和230 mm，均為SS316L材料。外導采用單層管和法蘭組焊件構(gòu)成，其水冷選用雙螺旋管布置在導體外表面；內(nèi)導同樣為單層管，為補償其受熱的變形量，采用插拔鏈接方式，冷卻方式為內(nèi)通冷卻水，且其水冷通道與電流帶貫通。

1.2 計算中子學模型

為將上述ICRF天線模型集成到CFETR扇段模型中，基于螺栓、法蘭等小部件不影響中子學計算，以及含流道部件在材料均勻化前后的整體計算結(jié)果沒有較大偏差［3］。因此為便于中子學模擬和建模，對原有的天線幾何模型主要做了如下修改和簡化，簡化后模型見圖4。

圖3 傳輸線結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of transmission line

圖4 簡化后天線幾何結(jié)構(gòu)Fig.4 Antenna structure after simplification

1）如圖5（a）所示，在原來的結(jié)構(gòu)中，刪除外導外壁的冷卻水管；對內(nèi)導中的冷卻水進行幾何建模，其余通水冷的結(jié)構(gòu)，法拉第屏蔽基板、電流帶、背板、冷卻水管等均填為實體，材料按體積份額做打混處理。

2）忽略電流帶的銅鍍層，材料僅為SS316L 鋼；將外導連接處的法蘭刪除，簡化內(nèi)導的絕緣、拔插結(jié)構(gòu)，簡化后每根內(nèi)、外導均為一根連續(xù)結(jié)構(gòu)，并在窗口末端截斷。根據(jù)圖5（b），按1～8#對內(nèi)外導進行編號，以供后續(xù)結(jié)果分析使用。

3）由于波導主要受到由包層開口處泄露中子的輻照，因此上窗口中的包層管林刪除，僅保留并簡化其支撐結(jié)構(gòu)。

4）為阻擋中子泄露，在天線周圍做了一定的屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中原本4#包層剩余部分也做屏蔽模塊處理，屏蔽材料為20%水+80%CLAM鋼［4］。

1.3 計算工具

本次計算使用蒙特卡羅粒子輸運軟件MCNP5［5］，數(shù) 據(jù) 庫 選 用 FENDL-2.1，利 用cosVMPT［6］軟件將天線 CAD 模型轉(zhuǎn)換成 MCNP 輸入文件，圖6 為引入ICRF 天線后的CFETR 中子學模型。由于整個中子學模型包含約4 600 個柵元和5 900 個面，且天線的傳輸線延伸至窗口末端，為加速中子輸運和解決長歷史問題，采用GVR“on-thefly”減方差方法［7］，利用迭代更新網(wǎng)格計數(shù)的全局中子和光子通量，迭代更新權(quán)窗，以加速結(jié)果的收斂。

圖5 天線波導簡化后幾何結(jié)構(gòu)和編號(a)內(nèi)導水冷結(jié)構(gòu)，(b)波導編號Fig.5 Waveguide structure after simplification and the corresponding numbering(a)Cooling water of inner-waveguide,(b)Number of waveguide

圖6 ICRF天線引入22.5°扇段CFETR中子學模型Fig.6 Neutronic model of ICRF antenna introduced to one 22.5°CFETR sector

2 計算結(jié)果與分析

本次計算針對以上中子學模型，在氘氚反應產(chǎn)生的14 MeV 中子源下，獲得全堆中子/光子通量分布。如圖7 所示，中子通量在天線前端高于周圍區(qū)域，且隨著遠離等離子體方向逐漸降低。同時，在包層背板和真空室內(nèi)壁之間，中子通量在屏蔽結(jié)構(gòu)外降低1～2 數(shù)量級。以下分別統(tǒng)計分析了ICRF 天線引入后，天線各部件以及真空室和窗口在內(nèi)的輻照損傷，以及對TBR的影響。計算結(jié)果歸一化到聚變功率1.5 GW，運行一個滿功率年（Full Power Year，F(xiàn)PY），根據(jù)氘氚反應產(chǎn)生17.586 MeV 能量并釋放一個中子可以得到中子發(fā)射率為5.32×1020n?s-1，因此針對計算所使用的1/16 扇段模型，中子發(fā)射率為3.33×1019n?s-1。

圖7 上窗口區(qū)域中子通量分布Fig.7 Neutron flux distribution in upper port

2.1 天線各部件輻照損傷

針對簡化后的ICRF 天線各部件，表1 列出ICRF 天線各部件輻照損傷的最大值（其中法拉第屏蔽的核熱密度為均值），根據(jù)計算結(jié)果，DPA（平均原子離位/滿功率年，DPA/FPY）和氣體產(chǎn)生率（產(chǎn)生的氣體原子/100 萬基體原子/滿功率年，appm/FPY）最大值均位于法拉第屏蔽的鉻鋯銅熱沉處，分別為12DPA/FPY，121 He appm/FPY 和740H appm/FPY，而核熱密度最大值位于法拉第屏蔽的鎢保護層，為29.8 W?cm-3。由于法拉第屏蔽存在間隙，電流帶的各核響應參數(shù)也較高，分別為7.26 DPA/FPY、77.4 He appm/FPY、412 H appm/FPY和9.28 W?cm-3。

由計算結(jié)果，內(nèi)外導的核熱密度最大值分別為0.783 W?cm-3和0.525 W?cm-3，除此之外，同時統(tǒng)計了核熱密度沿波導方向的變化，圖8為8組內(nèi)外導的核熱密度沿波導方向遠離天線背板的衰減，其中核熱密度顯著降低發(fā)生在波導由斜段轉(zhuǎn)為平行z軸的直線段后，這是由于波導的彎折會阻礙一部分中子。相同編號的內(nèi)外導核熱密度衰減基本一致，圖中靠外側(cè)的曲線對應圖5中的5～8#波導，根據(jù)編號，5～8#的波導位于外側(cè)，總長度比1～4#長850 mm左右，故圖中5～8#波導的大幅下降所對應的遠離背板距離大于1～4#，但衰減幅度和趨勢相同。

表1 天線各部件輻照損傷最大值Table 1 Maximum neutron damage in antenna components

圖8 內(nèi)外導核熱密度沿傳輸線方向的衰減Fig.8 Nuclear heating density decrease along transmission line

2.2 真空室和線圈輻照損傷

為確定天線周圍所設(shè)屏蔽模塊的屏蔽效果，窗口區(qū)域、真空室內(nèi)壁和縱場線圈導體的中子通量分布如圖9所示?？梢钥闯觯谔炀€周圍，真空室和磁體的中子通量有所上升，但通量的最大值并未出現(xiàn)在該區(qū)域，而是位于包層模塊間真空間隙所對應的區(qū)域，因此屏蔽模塊能夠有效地阻擋因天線引入而造成的中子泄露，具體的輻照損傷計算結(jié)果如下。

2.2.1 真空室

對于真空室和窗口部件，研究表明［8］，所用SS316LN不銹鋼材料的重復焊接性能主要取決于其氦氣濃度，在氦氣累積濃度低于1 appm 時，可滿足再焊接的需求；同時，作為直接對氚和活化材料的屏蔽，為保證真空室鋼材的性能不變，要求DPA 不超過0.5。上窗口周圍真空室內(nèi)壁的輻照損傷最大值及其在天線周圍的最大值列于表2。結(jié)果表明：天線周圍區(qū)域的最大值比其他區(qū)域低一個量級，DPA為 7.83×10-3DPA/FPY，氦 氣 產(chǎn) 生 率 為 8.15×10-3appm/FPY，因此引入ICRF天線且設(shè)計屏蔽結(jié)構(gòu)后，在以1.5 GW 聚變功率運行10 FPY，天線周圍的真空室輻照損傷不會超出設(shè)計限值。

圖9 窗口、真空室和縱場線圈導體的中子通量分布(a)上窗口及天線，(b)真空室內(nèi)殼及TFCFig.9 Neutron flux distribution in up-port,antenna,VV-inner(a)Upper port and antenna,(b)VV-inner shell and TFC

2.2.2 縱場線圈

針對縱場線圈，本次計算統(tǒng)計了線圈鋼盒以及超導磁體的核熱密度，并根據(jù)表3所示的運行方案，假設(shè)全堆在10 個滿功率年內(nèi)，依次按200 MW 運行1 FPY、500 MW 運行 2 FPY、1 GW 運行 5 FPY、1.5 GW 運行2 FPY。由模擬結(jié)果，獲得線圈對地絕緣和磁體的快中子注量率。天線周圍對應區(qū)域的縱場線圈計算結(jié)果及其相關(guān)的設(shè)計限值［9］見表4。根據(jù)計算結(jié)果，縱場線圈的4 個核響應參數(shù)均未超出限值要求，因此當前的屏蔽設(shè)計可以滿足磁體的屏蔽需求。

表2 真空室與其天線周圍對應區(qū)域輻照損傷最大值Table 2 Max irradiation damage in VV and the region around antenna in VV

2.3 TBR

針對一個扇段的基礎(chǔ)模型，基于WCCB包層的TBR 為1.151，離子回旋天線占據(jù)整個4#包層后，在不考慮其他影響因素時，TBR將降為1.094。由于全堆僅有一個離子回旋加熱天線，因此在僅考慮ICRF天線的影響時，天線的引入對全堆的TBR 影響不大，全堆TBR降為1.147，僅降低0.31%，滿足在考慮各項誤差及氚損失后所要求的TBR≥1.1［10］。

表3 CFETR運行方案Table 3 Operation scenario of CFETR

表4 TFC輻照損傷最大值及其設(shè)計限值Table 4 Design limit and the maximum results of neutron response in TFC

3 結(jié)語

本文介紹了離子回旋加熱天線的主要結(jié)構(gòu)部件及其所選材料，并設(shè)計了傳輸線周圍的屏蔽結(jié)構(gòu)，利用cosVMPT 自動化建模程序，建立了簡化后的ICRF 天線與CFETR 耦合的22.5°扇段中子學模型。通過GVR“on-the-fly”減方差方法，計算獲得全堆中子通量分布、天線結(jié)構(gòu)以及真空室和縱場線圈的輻照損傷。

計算結(jié)果表明：針對天線本身，天線面向等離子體部件的各核響應參數(shù)均較高，由高到低分別為法拉第屏蔽、電流帶、背板和傳輸線，與其遠離等離子體的順序一致。需進一步評估該水平的輻照損傷對天線性能的影響。

針對真空室和縱場線圈，ICRF 天線引入后，在天線對應區(qū)域的真空室、線圈等結(jié)構(gòu)的中子通量和輻照損傷高于周圍區(qū)域，但并不是最大值，且所有用于屏蔽水平評估的核響應參數(shù)均滿足設(shè)計限值。故當前的屏蔽設(shè)計可以滿足需求。

在天線占據(jù)4#包層中間模塊后，全堆的TBR僅由1.151降至1.147，仍滿足大于1.1的需求。