李敏1.2，刘松林3，靳强12，吴宜灿1.2.3，FDS团队
2.中国科学技术大学核科学技术学院，安量合配230027； （1.中国科学院核能安全技术研究所，安徽合肥230031，3.中国科学院等离子体物理研究所，安合肥230031）
摘要：中国双功能锂铅实验包层模块（DFLL-TBM）是中国计划在国际热核实验堆（ITER）进行氢增殖包层实验的两个候选概念之一，实验包层系统（TBS）与ITER界面设计关系到TBS能否在ITER装置有限空网内安装和实验，是ITER国际组关注的重点.本文根据ITER对TBS的设计要求、DFLL-TBS 念设计，结合中国与印度TBS在实验窗口的功能、安全和空间分配的定义，利用CATIA三维设计软件进行了DFLL-TBS在ITER窗口塞、管林区、窗口室的界面设计，初步设计可以满足ITER实验窗口空间要求，
关键调：1TER：实验包层模块：界面设计
中星分类号：TL642 文献标识码：A
文章编号：0258-0918（2012)03-0271-06
lead-testblanket system andITERequatorialport Interface design between dualfunctional lithium
LI Min'- LIU Song-lin² JIN Qiang'- WU Yi-can- FDS Team
C1. Intitute f Nuclar Energy Safty TechnoloyChinee Aemy of ScienesHefe of Anhui Pro. 23oCh 2. School of Nuelear Scince and Technology Univesity of Seience and Technology of Chin Hefei of Anhui Prov. 230027 China3. Institute of Plasma Physics Chinese Acndemy of Scienees.Hefei of Anhui Prov. 230031.Chins)
Abstract: The Dual Functional Lithium Lead-Test Blanket Module (DFLL-TBM) is oneof the Chinese two candidate concepts to be tested in International ThermonuclearExperimental Reactor （ITER）for tritium breeder blanket program.The ITER Organization focus on the interface design between Test Bianket System (TBS) andITER since it concerns whether TBS can be installed and conduct experiment in therestricted space of ITER or not. According to the design requirement of TBS for ITER
conceptual design of DFLL-TBS as well as definition of the function safety and spaceallocation for China-TBS and India-TBS in experimental port the interface designbetween DFLL-TBS and ITER in port plug pipe forest and port cell have been proposed with three-dimensional design software CATIA. The preliminary design could meet thespace requirement of ITER test port.
Key words; ITER; test blanket module; interface design
聚变堆与包层系列概念设计，FDS团队提 基于FDS系列不同功能、不同温度窗口的出了降低风险、兼顾先进性和发展潜力、具有中国特色的ITER液态锂铅双功能实验包层模块（DFLL-TBM）*作为中国的两个候选包层概 念之一，计划在ITER进行未来聚变示范堆（DEMO）相关氢增殖包层相关技术实验，
双功能锂铅实验包层系统（DFLL-TBS）主统、氟处理系统和测量与控制系统等组成. 要由DFLL-TBM、锂铅辅助系统、氮气辅助系TBS在ITER建筑物内安装，涉及到与ITER建筑物、ITER其他系统部件、实验窗口内相邻其他方TBS的界面相容性问题.在TBS安装前需完成TBM与窗口塞、窗口延伸段管林区、 TBM冷却系统与窗口室、氮气冷却系统与托卡马克冷却水系统、氟系统与氯厂、TBS与热室等界面设计工作.为了推进TBM计划，与ITER的建设进度保持一致，ITER国际组组织TBM 参与方进行了TBS/ITER界面概念设计活动.
本文根据DFIL-TBS初步概念设计和ITER对TBS界面设计要求、建筑空间规定，给出了DFLL-TBS在ITER赤道窗口的界面设计方案，包括屏蔽块的初步设计、管林区管道布置 和窗口室内辅助系统主要部件的布置，初步设计可以满足ITER分配的实验窗口空间要求.
1系统与界面描述
根据DFLL-TBM的概念设计，TBM上有3条冷却剂管道（锂铅同芯管、氢气同芯管、紧急情况排空锂铅的被动排放管）和1条测量与诊断管线引出ITER生物屏蔽层外与相关辅助、控制系 统连接.TBM管道相关参数见表1CH-，其中同芯管内、外层管分别流高、低温流体.
根据ITER国际组TBM窗口分配和辅助系统的空间划分方案，中国和印度共享2#实
验窗口.如图1所示，各TBM与其后的屏蔽块连接，悬臂安装在窗口框内组或窗口塞，以便TBM的更换、维护，以及一个TBM实验失效时不影响相邻TBM的实验.DFLL-TBM链铅辅助系统设备与提氟单元（数泡器） 安装在可移动式辅助设备单元AEU（AuxiliaryEquipmentUnit）上，当TBM实验时，AEU驻留在ITER生物屏蔽层外的窗口室内.氮气冷却系统和氟处理系统分别安装在ITER水冷系 统拱顶和氟工厂内.
Table 1Reference dimension of DFLL-TBM pipes 表1DFLL-TBM管道参考尺寸
整厚/ 外径/mm 保量层厚/mm mmLiP%同芯母管 He同芯母管 5 5 100（外管），70（内管） 100（外营）.77（内管） 100 100LP指放管 52 100测量与诊断管 5 50
图1窗口塞三维结构视图Fig 1 3D strueture view of port plug
图2为DFLL-TBS主要部件安装位置以及与ITER建筑形成的主要界面，TBM外接 管线穿过屏蔽块和ITER建筑物，与辅助系统相连时，在实验窗口形成四个界面：TBM与屏蔽块之间的界面1.窗口塞与管林区之间的界面2a，生物屏蔽层与AEU之间的界面2b，连
统、氟提取系统等）的界面3（".
图2ITER DFLL-TBS界面示靠图
屏蔽块前壁上焊有两个矩形固定座，固定座上有形状与DFLL-TBM矩形连接键相适应 的凹槽，安装时将连接键插入固定座，由连接键上的柔性螺栓将TBM固定在屏蔽块法兰上.屏蔽块为TBM提供支撑，抵抗等离子体破裂时电磁力对TBM的扭力.
2TBM/屏蔽块界面设计
屏蔽块除为TBM提供固定基座外，主要功能是屏蔽中子，考虑窗口塞内空间限制，参考相关文献，利用CATIA软件的零件设计和装配设计模块将屏蔽块设计为1300mm（长）×484mm（宽）×1660mm（高）钢水混 合结构.如图3所示，屏蔽块内焊有19块厚为10mm的钢板，两钢板之间形成极向流道，水冷却剂从屏蔽块法兰上端管道流进后，沿各极向流道向下流动，从屏蔽块下端流出，由于氨管在正常运行时没有填充锂铅，如果按直管穿 气对中子是透明的，无凰挡作用，锂铅紧急排放墙设计，对中子也必将是透明的，测量与诊断管若按直管穿墙设计也存在同样的间题，因此将穿过屏蔽块的氨气同芯管、锂铅排放管、测量与诊断管设计成“S”形弯，形成交叉防护，以增加 中子散射次数，提高屏藏能力.
3管林区界面设计
管林区是窗口塞和ITER机器外部系统之间的管道过渡区，ITER国际组定义了管林区支撑架的外围尺寸为3508mm（长）×2620mm （宽）×2798mm（高）.管林区右侧有宽700mm检修通道，左侧剩余空间为中国和印度TBM管道共用区城.假设DFLL-TBM被分配在实验窗口左侧，利用CATIA软件初步设计出了ITER机器运行中真空室热影胀对管道产生的 DFLL-TBS管林区布局，如图4所示，为降低巨大应力，将管林区冷却剂管道设计成多段"U”形胀弯.为使TBM内的锂铅在事故情况下能依靠自身重力流人储存罐，将锂铅排放管设计 成在水平方向上弯曲，考虑管林区钢架结构和空间的限制，将氨气管道形胀弯设计在竖直平面上.测量管道直线通过管林区，
4窗口室界面设计
图3DFLL-TBM和屏藤块Fig. 3 DFLL-TBM and port plug
窗口室位于生物屏藏层后，考虑到TBM的更换和维护，ITER国际组定义了可移动式
室安装的设备、仅器和过渡管道等部件，当TBM进行实验时，AEU驻留在窗口室；当TBM需检修更换时，在切界面管道后，AEU 内的部件随AEU转移到ITER临时停放点，留出空间给遥操设备使用.
DFLL-TBS锂铅辅助系统安装在窗口室AEU内.如图5所示，键铅辅助系统主要由泵系统、氢提取子系统、锂铅/氨气热交换器、在线 监测锂铅中杂质的堵塞计、锂铅净化系统（冷阱、磁阱）、锂铅储存罐、气体系统、加热装置、测控装置、管道等组成，其中气体系统主要由气体储存罐、过滤器、管道和阀门等组成，用于调节 回路压力、提供情性气体（氩气）覆盖锂铅自由液面，防止大气进人与锂铅发生反应”.
图4DFLL-TBS管林区 Fig. 4 DFLL-TBS pipe forest
AEU（8000mm（长）×2620mm（宽）×3780mm（高））3，用于容纳TBS计划在窗口
图5DFLL-TBM锂铅辅助系统运行说程图
Fig. 5 Flow chart of the LiPb auxiliary system for DFLL-TBM
中国和印度共享一个AEU，如何在有限空间内完成DFLL-TBS锂铅系统设备布置是一个挑战.假设有两种平分AEU空间方案，方案一：中国使用AEU左半部分，印度使用右半 部分：方案二：印度使用AEU前半部分，中国使用后半部分.根据这两种假设，利用CATIA软件设计了DFLL-TBM锂铅辅助系统主要部件的两种布置方案，图6所示为左右布置，图7所示为前后布置，两种布置方案的主要区别如
表2所示，
经比较可知，两方案所需锂铅量相当：前后布置所需同芯管长度是左右布置的7.5倍，左右布置有利于同芯管的安装和使用；前后布置 中锂铅主回路弯头和三通接头多5个，氮气回路弯头少5个，由于锂铅管道弯头和三通接头是引入锂铅压降的主要原因之一，减少锂铅管道弯头及三通接头可有效降低系统对锂铅驱动泵的要求，而对于氮气回路，由于流体介质为气
体，其管道弯头多5个，对整个氮气回路压降影响不大，从三维布局图看，前后布置更紧，有利于氨气管道安装，但由于锂铅排放管不能向 上弯曲，须经过AEU印度使用区，面印度TBM管道从AEU引出也须经过中国使用区，这要求双方有更多的交流与合作，协商被此需要使用对方空间的位置和大小，以及系统安装、 检测、调试、维护与更换等问题.
综合分析比较，DFLL-TBS锂铅辅助系统比较适合采用左右布置.
图6锂铅辅助系统左右布置方案
Fig. 6Right-left layout scheme of LiPb auxiliary system
图7锂铅辅助系统前后布置方案
Fig.7 Front-back layout scheme of LiPb auxiliary system
表2锂铅辅助系统两种布置方案的主要区别Table 2The major difference between the two layout schemes of LiPb auxiliary system
左右有置前后布置占地面积/m² 6.527 6.483锂铅辅助系统中的理铅体积/m 网芯管长度/cm 0.608 36 0.62 270提铅主回路90弯头和三通接头 20 25复气国路90°弯头/个 （设备旁路除外）/个 13