杜红飞1.2，陈德鸿1.2，蒋洁琼1.2.3，汪晖1.2，王福琼1²，陈一平2，吴宜灿1.23，FDS团队
（1.中国科学院核能安全技术研究所，安量合肥230031；2.中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥230031：3.中国科学技术大学核科学技术学院，安徽合肥230027）
摘要：为满足聚变材料测试对DT聚变申子源的需要，本文首先根据国际上对用于聚变材料测试的中子源的要求给出设计目标，然后基于GasDymamicTrap（GDT）装置的实验进展，提出了基于GDT装置数初步方案，其中FDS-GDT2中子壁负载为2MW/m²，可用于聚变材料的测试， 的14MeV中子源的设计初步方案，并建立了GDT中子源的物理模型，计算分析给出了两套中子源参
关键调：GasDynamicTrap（GDT）：中子源：磁镜：聚变材料测试
中国分类号：TL64 文章标志码：A
文章编号：0258-0918(2012)01-0068-06
Preliminary design of GDT-based 14 MeV neutron source
DU Hong-feil- CHEN De-hong JIANG Jie-qiong1*- WANG Huit- WANG Fu-qiong² CHEN Yi-ping' WU Yi-ean'** FDS Team
(1. Instite of Ncleer Energy Safty Trhnology • Che Aadmy of Scien Hefe of Anhi Prox. 230031. Chines2. Inatisute of Plasma Physics Chinese Academy of Sciences Hefeiof Anhui Prov. 23oo31 China; 3. School of Nuclear Science and Technology University of Stience and Techmology of China Hefei of Anhui Prov. 230027 Chins)
Abstract: To meet the need of D-T fusion neutron source for fusion material testing， design goals were presented in this paper according to the international requirements ofneutron source for fusion material testing. A preliminary design scheme of GDT-based14 MeV neutron source was proposed and a physics model of the neutron source wasbuilt based on progress of GDT experiments. Two preliminary design schemes (i. e. FDS-GDT1 FDS-GDT2) were designed; among which FDS-GDT2 can be used forfusion material testing with neutron first wall loading of 2 MW/m*.
Key words; Gas Dynamic Trap (GDT); neutron source; magnetic mirror; fusionmaterial testing
目前，国际热核聚变实验堆ITER( International Thermonuelear ExperimentalReactor）正在建造当中，下一步将是示范电站DEMO（demonstrationpowerplant）的建造，越来越多的人已经认识到：在建造DEMO之前， 必需发展能在聚变中子环境下运行几年而其各种性质不发生衰退的低活化材料（聚变材料的测试已被美国国家工程院列为21世纪工程上注量率大于2MW/m；最为重要的挑战之一）.因此，有必要建造一个 高通量的14MeV的中子源作为实验平台，本文依据GDT装置的最新实验进展，提出了基案（分别命名为FDS-GDT1，FDS-GDT2），探索作为FDS团队系列聚变驱动反应堆概念设计 各个方面前期所需的中子源测试平台的途径.同时FDS团队提出基于GDT的中子源（命名为FDS-GDT3）驱动裂变包层实现增殖能量、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]
与环形装置相比，GDT装置结构简单面紧凑、运行灵活、造价较低，氟消耗量也比较低（约 150g/a），非常适合作为聚变材料测试的中子源[.GDT是一个轴对称的磁镜装置，具有很高的磁镜比，两磁镜之间的距离大于温离子的有效平均自由程（L>AInR/R），因此，由 于频繁的碰，约束在真空室中的等离子体在速度空间非常接近各向同性的麦克斯韦分布，等离子体行为与经典气体相似，等离子体的终端损失由标准气体动力学方程描述（Gas体用于捕获高能中性原子、为全部等离子体 Dynamic之名即由此而来）（1.此靶等离子提供磁流体稳定性和微观稳定性".如果使用高能的中性氛束和氧束斜注人GDT的靶等离子体中，由于等离子体的碰撞电离和电荷交 换，高能尔、氧原子将变为高能离子被约束在磁场中，被约束的尔离子和氟离子在散射进人损失锥之前将会被电子慢化下来，因此快离子的处有一个峰值，在此处的快离子会发生聚变反为折返点处快离子平均密度，E为快离子平 角扩散非常小，从面导致快离子密度在折返点应产生14MeV聚变中子.GDT装置示意图均能量，B为中平面处磁场.
见文献[14].
1.1设计目标
1.2物理模型
1设计目标与物理模型
材料的中子源的主要参数要求（： 国际上材料研究者给出了对用于测试聚变
1）大于0.5L的辐照体积，14MeV中子
2）装置可利用率大于70%；
3）中子注量率衰减小于等于20%/cm.
本文将首先在俄罗斯新西伯利亚布德尔克上提高磁场、等离子体参数等，得到一个低中子 注量率的中子源FDS-GDT1；其次调整各参数，得到一个满足聚交材料测试关键参数要求的中子源FDS-GDT2.
1）两磁镜之间的距离L大于2倍的温离 InR
式中：为离子平均自由程，R为磁镜比，T.为电子温度，n为温离子密度，lnA为库伦对数.为使靶等离子体在速度空间服从麦克斯韦分 布，必须使两磁镜之间的距离大于2倍的有效平均自由程，以保证靶等离子体频繁的碰撞，因而角度散射将由库伦碰撞机制决定.
离子最大回旋半径A： 2）中平面等离子体半径r大于2倍的快
式中：离子质量数A取3，能量E取中性束注入能量ENB，为中性束注人角度，B为中平面 处磁场.
3）快离子主要分布在折返点处，因此，折返点处有最大比压，依据GDT实验，等离子体最大比压3小于等于60%，
式中：μ为真空磁导率，0为中性束注人角度，
(2)
(3)
出以下的设计原则：
4）聚变功率
装置上的两次实验[1，如表1所示. 1）首先检验布德克核物理研究所的GDT
(4)
式中：ng为折返点处快离子平均密度，ur为氧氮反应率，k为玻耳兹曼常数，Wvr是一次尔氟反应放出的能量，单位为MeV，V是主要 聚变反应区的体积.
表1GDT装置上两次实验的等离子体 有效平均自由程与两磁镜间距离
Table 1The effective mean free path and the lengthbetween two mirroes of two experimeats en GDT
5）中子壁负载：
实验 有效平均自由程 /m 两镜之间图离 /m1 0.70 72 1.55 7
(5)
FAd式中：P为聚变功率，0.8表示聚变反应中中子能量占总能量的4/5，Awa是测试区壁的表面积.
理论上，等离子体的尺度大于两倍的有效平均自由程时，就能保证等离子体中的粒子在速度空间服从麦克斯书分布，显然，表格中的两次实验均可以完全保证靶等离子体在速度空间服从麦克斯韦分布，另外，在两磁镜之间的距离 为7m的情况下，最大可使有效平均自由程达到大约3m，FDS-GDT1的设计将会取大约3m的靶等离子体有效平均自由程，
子的功率P相平衡： 6）终端损失功率Pa与电子慢化快离
(6)
终编损失功率：
(7)
式中：2表示两端，n是在磁镜处的离子密度，V是湿离子热速度，A是磁镜端口处的截面积，A，为一常数，由双极势理论决定，在这里取5.粒子终端损失机制为：在磁镜处的温离 子都流出捕集室，
R为25，可作出有效平均自由程随电子温度和 若使库伦对数为常数（取为17），取磁镜比密度变化的三维图，如图1所示.
电子慢化快离子的功率为：
(8)
式中：n为折返点处快离子平均密度，E为快 离子平均能量，n.为电子密度，T.为电子温度，为快离子和电子的能量交换时间，V.快离子分布区的总体积.
(9)
式中：m；为离子质量，m为电子质量，T.为电子温度，为折返点处快离子平均密度，lnA为库伦对数.
图1有效平均自由程随电子温度和密度变化的三维图
7）快离子碰撞平均碰撞间隔t远大于电子慢化快离子的时间r！
Fig 1 Varistions of effective mean free path withelectron temperature and density
(10)
自由程，应该在低温高密度区取值，但是当温度
由图1可以看出，要保持较小的有效平均超过1keV后，有效平均自由程就会较大，从而使得装置很长，不符合紧凑型中子源装置的要求；另外提高聚变功率要求高能的氛氟离子达
模型的建立参考文献[12.16-22].
2设计原则与结果分析
2.1设计原则
初步探索各个参数之间的依赖关系后，得
到较高的温度和密度，从而会导致电子温度升高，因此电子温度将在装置尺寸和聚变功率之间折中取值，FDS-GDT2的设计将在满足文章第一部分中的设计目标的前提下，最小化装置 尺寸和最大化聚变功率对电子温度折中取值.
2）若假设比压恒定为60%，中心磁场不变为1T，则快离子的平均能量与密度成反比，在此种情况下可以作出聚变功率密度随快离子平均能量的变化曲线，如图2所示.
图2聚变功率密度随快离子平均能量的变化曲线Fig. 2 Variations of the fusion powerdensity with mean energy of fastions
由图2可以看出，在比压恒定的情况下，聚变功率密度在快离子平均能量为大约14keV时取得最大值，因此当快离子平均能量取为 14keV时，对于磁场的利用以及聚变功率密度的最大化都是有利的；然面实际中14keV的平均快离子密度并不足以产生高强度的中子注量率，因此对于高强度中子源，需要进一步提高快高子平均能量.除此之外，快离子平均能量和 密度还会受到其他因素的影响，即实际情况下，随快离子平均能量的提高，比压值不会恒定不变.由图3可以看出，D-T聚变反应率大约在69keV处取得最大值，之后反应率开始下降， 因此，在0~69keV区间提高快离子平均能量，有助于提高聚变功率密度.
3）理论上，距离等离子体边缘两倍的α粒子国旋半径范围内都可能有a粒子存在.一壁设在聚变a粒子和中子环境区，如图4 为测试聚变材料，FDS-GDT2将会把测试区第所示.
图3平均D-T豪变反应率随温度的变化Fig. 3Variations of menn D-T reactionrate with the temperature
Fig. 4 The cross-seetion of the test 图4GDT中子源测试区截面图ares of the GDT neutroe source
根据以上设计原则设计得到如下两套中子源参数，其主要参数如表2所示.
表2FDS-GDT主要参数Table 2 Main paramrters of the FDS-GDT
两础镜问的距离/m 数 FDS-GDT1 FDS-GDT2 16植场： 7在中平面/T 0.6 1在情/T 15 25靶等离子体：电子密度/m3 中子面率径/cm 1. 3×10∞ 12 1.5×10∞ 16电子强度/V 509 800中性束：中性粒子能量/keV 30 70
续表
3总结
参数 FDS-GDT1 FDS-GDT2注入率/MW 8 35注入角度/（） 核缩集的京功率/MW 6.7 30 30 30高离子：快离子平均密度/m- 3.7×100 4×10快离子平均能量/keV 14 30中子学， 等离子体比压/% 36 30变功率/MW 0.25 3.04中子注量率/（MW/m²） 0. 11~0. 53 0. 90~2. 42测试区长度/m 0.5×2 1×2
的中子源的要求给出设计目标，然后基于Gas 本文首先根据国际上对用于聚变材料测试DynamicTrap（GDT）装置的实验进展，提出了基于GDT装置的14MeV中子源的设计初步方案，并建立了GDT中子源的物理模型，计FDS-GDT2中子壁负载为2MW/m，可用于 算分析给出了两套中子源参数初步方案，其中聚变材料测试.对基于GDT装置的14MeV中子源的初步设计方案，下一步有必要建立更加详细的接近实际的模型并参考工程可行性进 行优化与分析，
参考文献：
2.2结果分析
[1] Wu Y et al. Conceptual Design Activities of FDS Series Fusion Power Plants in Chins [I]. Fusion Engineringand Desigm. 2006. 81 2713~2718.[2] We Y et sl. Ceneeptual Derign of the Fusion-Driven Subcritical System FDS-1 [J3. Fusion Engineering andDesign 2006 81:.[3] We Y et al. Conoeptual Derign of the China Fusion Power Piant FDS-11 [1]. Fusion Enginering and Design 2008 83(10-12) 1683-1689[4] Chen H. et al. A High Temperature Blanket Conet for Hydrogen Productioe [J]. Fusion Enginering andDesign 2008 83(7-9) 903-911.[≤] Qjia L. et al. A Low Aspect Ratio Tolumak Tseseutetion Sptem [R]. lnemarioeal Asomic Energy Agency Vienna. 2000. Vol. 40. Mar. 200.[6] Wα Y Jing J Wang M et al. A Fusiosr-Driven Subcritical Spstem Concept Beed on Vible Technelogies [J] Nuel.Fusion 2011. 51(10) 103036.[7] W's Y en al. Derign States end Development Strstegy of China Liquid Lithium-LeadBlankets and RelanedMaterial Technology CI]. Jourmal of Nuclear Materisls.[8] Wa Y. Progress in Fusion-driven Hybrid System Studies 2007 367-370 Part B-2; 1410-1415.in China [J]. Fusion Engineering and Design 2002 63- 64 73-80.[9]We Y Q§u L Chtn Y. Conceptual Study en LiguidReactors [J]. Fusion Engineering and Design 2000 Metal Center Conductor Poet In Spherical Tokamak51-52 395-399 [10] Huang Q. et al. Status and Strnstegy of Fusicn Materials Development in China[C]. Jourmal of Nuclear Materials 2009 384-388 400-404. Also invited presentatios at
FDS-GDT1是在俄罗斯新西伯利亚布德础上设计得到的，提高了磁场强度以及等离子 尔克核物理研究所的GDT实验装置尺寸的基体参数，使之可得到约0.11~0.53MW/m²的中子能流密度，然面FDS-GDT2是按照国际材料界对中子源的关键参数要求设计得到的，2MW/m²的中子壁负载，对于辐照体积以及 在测试区取第一壁半径为9.7cm，则可得到中子源利用率的要求可以通过进一步的工程设计达到：另外，经计算，每厘米的中子注量率衰减约为10%，小于20%/cm.
根据GDT的概念，需确保被约束的高能的無离子和气离子在被靶等离子体散射进人提失锥之前被电子慢化下来，以FDS-GDT2为例，经计算，快离子碰擅时间是25ms，电子和快离子的过程要比快离子的碰撞散射过程要快 快离子的能量交换时间是2.6ms，即电子慢化大概一个数量级，因此快离子在碰撞散射之前将会被电子慢化下来，故面保证了快离子非常峰值分布. 小的角扩散，从而使得快离子在折返点处形成
值得指出的是：与目前GDT装置上的实验参数相比，本文中设计的中子源FDS-GDT2使用了较原装置高出很多的磁场、电子 温度、和快离子密度等参数，因此GDT装置作为中子源的可行性还有赖于GDT装置实验数据库的进一步扩展.
