基于GDT的聚变裂变混合堆 堆芯参数初步设计研究
陈德湾1.2，杜红飞1.2，蒋洁琼1.2.3，汪晖1.2，王福琼1.2，陈一平2，吴宜灿1.2.3，FDS团队
（1.中国科学院核能安全技术研究所，安徽合肥230031；2.中国科学院等高子体物理研究所，安徽合肥230031； 3.中国科学技术大学核科学牧术学院，安量合肥230027）
摘要：基于GasDynamicTrap（GDT）装置的实验进展，提出了用于驱动骤变裂变混合堆包层的聚变堆芯 参数设计，基于零维堆芯物理模型，计算分析给出了~套聚变功率为50MW的初步堆芯参数方案，利用GDT装置的实验结果对该物理模型进行计算对比校验，显示该物理模型和设计参数的可靠性.美健调：Gas DynmicTrap（GDT）：混合堆；堆芯设计：磁镜
中国分类号：TL64 文章标志码：A
文章编号：0258-0918（2012)01-0063-05
Preliminary design of core plasma parameters for the fusion-fission hybrid reactor based on GDT
CHEN De-hong DU Hong-fei JIANG Jie-qiong* WANG Huil# WANG Fu-qiong* CHEN Yi-ping² WU Yi-can- FDS Team
(1. Inatitse of Ner Engy Sy Thipy Chinee Arademy of Sims Hrei of Ahi Pro. 230031 China2. Institute of Plasma Physics Chinese Aoademy of Seiences Hefei of Anhui Prov 230031 China; 3. School of Nurlr Stine d Techolgy Uivenity of Sciee and Techolyof China Hefei of Anhui Prov Z30027 China)
Abstract: Based on the recent experiment progress of Gas Dymarmic Trap (GDT) a core plasmaphysics conceptual design for driving fission blanket was proposed. The 0-D physical model wasbuilt and the core plasme parameters with 50 MW fusion power were preliminarily designed Thereliability of the physical model and design was demonstrated by parison between the calculation and the experiment results.
Key words; Gas Dynamic Trap (GDT); hybrid renctor; core parameters design;magnetic mirror
GasDynamicTrap（GDT）是一种特殊的用于磁约束受控核聚变研究的磁镜装置，俄罗斯Budker Institute of Nuclear Physics (Novosibirsk)长期致力于该装置的研究，近年来在装置不断改 造升级之后，也取得了很好的实验进展，其等离子体最大比压可达0.6.根据该装置的实验结果，基于该类装置具有2MW/m㎡²中子壁负载和14MeV中子能量的聚变中子源设计在国际上已有 深人的研究.用于未来聚变材料的测试；也有低功率聚变堆芯概念设计用于钢系元素变.
GDT固有的特点是等离子体温度较低、装置为开端直线装置，其简单的结构有利于包层的装卸以及热工水力的设计.因此本文提出基于 GDT的中子源（命名为FDS-GDT3）驱动裂变包层实现增殖能量、螺变核废料、增殖核燃料等多功能的混合堆概念，作为探索FDS团队系列聚变驱动反应堆概念设计的聚变驱动器方案选择的途 径之一.同时FDXS团队为探索系列聚变驱动反应堆概念设计前期所需的中子源测试平台的途径，提出了基于GDT的两个中子源初步设计方案（分别命名FDS-GDT1，FDS-GDT2），在本刊 的另一篇文章里做了详细述
为了满足混合堆堆芯参数的要求并参考目前磁约束聚变实验的实际情况，堆芯方案的设计和优化目标有如下几点：1）作为混合堆堆芯，选用比仅用于材料测试的中子源相对较大的聚变 功率，根据GDT目前的实际水平，选取聚变功率为50MW；2）等离子体的加热和聚变反应的产生主要依靠中性束注人产生的快离子，考虑到对功率增益；3）聚变功率增益的提高，需要装置的 中性束和经济性的要求，要求尽可能地提高聚变
长度很长，文中尽可能采用较小的长度参数：4）考虑第一壁对中子流强的承受能力，中子壁负载设计值为0.5MW/m²，根据上述设计原则和目标，文中第1节简要介绍GDT的物理概念 并提出基于GDT的混合堆概念：第2节提出了零维堆芯物理设计模型，阐述了堆芯物理参数的主要设计依据：第3节对比分析了实验结果第4节做了设计计算和分析，提出了优化后的 和模型计算值，对物理模型可靠性进行了验证；参数方案：第5节做了简要的总结.
1基于GDT的混合堆概念
GDT的特点是高磁镜比（R>10），以及在这种装置内，等离子体的长度大于离子的有效平均自由程（L≥lnR/R），使得内部离子泄漏前发生多次碰撞而近似满足麦克斯韦分布，其性质可以用气体动力学描述，约束时间可以 写成r~RL/vr，因此这种装置被称为GasDynamic Trap(17)
GDT中的快离子是由高能尔氧中性束粒子以一定的角度斜注人到等离子体后再经电离产生的，其注人角9大于磁镜损失锥的角度，因 面快离子能够在转折点B.=B./sin²θ的位置达到轴向密度最大并发生反射面来回震荡，快离子因散射导致一定的角扩散从而使得转折点以通过控制磁场的梯度来调节其长度.快离子 的区域（强中子源区）有一定的展宽，该区域可主要在这个区域发生D-T聚变反应释放中子，在该区域外层放置裂变包层，通过不同具体包层设计即可实现不同功能，作为混合堆的应用，示意图如图1所示.除了强中子源区，其他发
图1基于GDT的湿合堆示意图
Fig. 1 Scbematic diagram of GDT-based hybrid reactor
生较少量的聚变反应的等离子体区域，外层需要有屏蔽包层进行中子屏蔽.装置两端的扩展器一方面为了减少泄漏等离子体对壁材料的轰磁力线所提供的好曲率有利于等离子体的稳定 击和提供类似偏虑器的功能，另一方面弯曲的性".扩展器内部等离子体密度和温度都很低，可以加上适度的中子屏蔽防护.等离子枪用于注人初始靶等离子体.
2堆芯物理模型
堆芯设计是基于GDT的零维堆芯物理模型，计算获得体积平均和量级概念的初步设计参数.等离子体边界可以由等离子体中平面半 径r、等离子体长度L（特指磁镜两个终端之间的距离）和磁镜比R确立，运行控制参数还包括等离子体密度n、中平面的磁场强度B、中各个参数在磁面以及轴向或者相应的具体分 性束功率P和中性束粒子能量Ea.不考虑布，通过调整以上这些初始参数，满足一定的设计要求，结合设计和优化目标，得出自治的等离子体堆芯参数方案，以下是设计要求和模型，
2.1几何参数要求
等离子体的长度"≥1nR
式中：L= A1nR由程，A为温离子的平均碰撞自由程，R为磁镜比.强中子源区第一壁半径要求：
r.为强中子源区等离子体半径，为a离子的最大回旋半径.考虑装置的紧凑性及等离子体稳定性，强中子源区的长度要求：
2.2中性束注入功率
中性束注人到等离子体中被吸收的功率：
式中：L为中性束粒子在等离子体中穿过的距离，为中性束粒子在等离子体中的平均自由程，本设计中取L=2~3
2.3快离子的约束时间
本设计主要考虑在强中子源区电子的施拽
(1)
(2)
(3)
(4)
时间和快离子的碰撞散射时间
式中：T.（keV）为电子温度，E（keV）为快离子平均能量，本文取E=0.5E，A和Z分别代表快离子的质量数和电荷数，n为电子密度， n为快离子密度，lnA为库伦碰撞对数，因为温离子密度一般比强中子源区快离子密度低一个数量级，因此可以忽略快离子和温离子的碰撞效应，快离子的约束时间：可以由下式计算：
2.4等离子体功率平衡
失，垂直磁场方向的输运损失可以忽略，终 靶等离子体的能量损失主要考虑终端损端损失功率为：
式中：n为温离子体密度，v为温离子的热速度，A为磁镜处等离子体的横截面积：因为磁镜两端有双极势的存在，所以对于等离子体来说，每个电子-离子对泄漏时所携带的能量为A T.，-般A.-8].
进入等离子体中的快离子的能量的去向主要分为两部分，一部分是加热靶等离子体，另一部分是快离子自身碰撞散射泄漏，因此满足功率平衡：
式中：V.为强中子源区等离子体的体积.上面两式表示了功率平衡关系，当》时，P=P.本文不考虑a粒子的加热功率，
2.5等离子体比压限制
在强中子源区快离子的能量和密度都比靶等离子体大1～2个数量级，因此不考虑靶等离子体对比压的贡献，根据实验的水平，快离子的比压：
(5)
(6)
(7)
(9)
(01)
(11)
式中：μ为真空磁导率，B为磁镜中平面的磁场强度，为中性束注人角.
2.6聚变功率和强中子源区长度
聚变功率：
(12)
强中子源区长度：
(13)
式中：为尔氯反应率，Ear为一次尔氟骤变反应释放的能量，r.为强中子源区的半径.
图2等离子体长度和强中子源区长度随等离子体半径的变化曲线
3模型校验
Fig. 2 The relation among L 3L and r
文献[20]所分析的实验中，使用4MW的中性束注人功率，中性粒子平均能量为15keV，中 性束注人角为π/4.脉冲时间为1.1ms.在0.95ms的时刻，认为满足2.4节的功率平衡，此刻P=1.2MW，取实验参数值B.=2.2 T B =9.7 T r =0.15 m，n=3.0 ×10”m-.取中性束在等离子体中的电离和电 荷交换截面为10-”m²，通过计算得到T.=135eV，r=0.82ms.实验结果为T.=120eV，=0.747±36ms.由对比结果可以看出，模型计算结果与实验值符合的较好.
图3等离子体密度随等离子体半径的变化曲线 Fig. 3 The relation between plasmadensity and radius
4参数计算与分析
利用上述GDT高参数等离子体物理模型，本方案中靶等离子体为气等离子体，中性束向其注人高能气氧中性粒子，注人氣氯比例为 1：1.为了提高聚变增益，首先要提高快离子的约束时间，因此必须提高电子温度和快离子平均能量.本设计中磁镜比达到了50，较小的中平面磁场能保证磁镜处磁场强度不会过大， 较小中性束注人角能保证在强中子源区快离子仍有较高的密度.取B=0.5T，R=60，0=n/12，3-0.6.P=140MW，在满足聚变功率不小于50MW，实现装置第一壁表面积最小的情况下，图2和图3给出了等离子有效平均自 由程L、强中子源区长度L和等离子体密度n随等离子半径r.的关系.根据式（1）和式（3），等离子半径应该在r一L曲线和r一3L曲线的交叉点附近或3L>L的点取值.
基于上述各个参数之间的关系和设计目标，并兼顾一定的工程技术和经济性，初步设计了FDS-GDT3的堆芯物物理参数方案，如表1所示.
表1FDS-GDT3的堆芯物理参数 Tahle 1 The core plasma physisparameters ef FDS-GDT3
物理参数 参数值磁场强度 中平面磁暑强度B/T 0.5磁镇处砸场强度B/T 30靶等离子体 长度L/m 87中平面半径ro/m 0.07密度/10m 1.1
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续表
物理参数 参数值电子温度T./kV 3.4中性束 注人功率P/MW 140子能量E/kV 100强中子蔡区 注人角 x/12快离子平均密度x/10m- 1.66长度L/m 比压p 0.6 29聚变功率P/MW 50第一整半径R/m 申子壁负载N/MWm 0.44 6.5
5结论
提出了基于GDT的驱动聚变裂变混合堆包层的聚变堆芯设计目标，并建立零维堆芯物理模型，对堆芯物理参数进行了设计计算.通50MW的堆芯初步方案FDS-GDT3.对比实 过初步的设计和分析给出了一套聚变功率为验结果和基于物理模型的计算结果，显示出了模型和设计方案的可靠性.下一步有必要进行化分析，也会根据对应的中子学参数，对相关功 更详细的模拟计算以及参考工程可行性进行优能的包层微概念设计和中子学评估.
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