[发明专利]聚变堆包层全堆氚增殖比的优化方法、装置、设备及介质

说明书

本发明公开了聚变堆包层全堆氚增殖比的优化方法、装置、设备及介质，该方法包括：对聚变堆产氚包层系统的初始方案进行三维中子输运计算，进行各功能区的几何边界微扰动及密度微扰动下的一阶与二阶微扰计算，得到初始方案在各微扰状态下各氚增殖区的多群氚增殖比；根据多群氚增殖比，计算在各微扰状态下各氚增殖区各能群的微扰系数；根据微扰系数，得到整个包层系统的氚增殖比随各功能区边界扰动量与各功能区密度扰动量的多维二阶解析函数；根据多维二阶解析函数，采用模拟退火算法找出整个包层模块在微扰计算有效区间内的全堆最优解；重复上述步骤，多次迭代直至收敛，得到聚变堆产氚包层的产氚性能最优方案。

技术领域

本发明涉及聚变堆产氚包层中子学技术领域，具体涉及聚变堆包层全堆氚增殖比的优化方法、装置、设备及介质。

背景技术

聚变能是人类未来的永久能源。核聚变能源具有资源丰富、经济、干净以及与环境相容等优点，是公认的可大规模替代常规能源的理想能源。经过60多年的研究，以托卡马克为主导的磁约束可控核聚变研究在理论、物理试验上不断取得重大突破。

在聚变堆中，产氚包层是实现聚变燃料氚增殖以及热电转换的关键，是聚变堆最为重要的部件之一。产氚包层位于堆芯等离子体与真空室壁之间，直接面向高温等离子体，氘氚聚变反应释放能量的80％以中子动能的形式出现，在穿透包层的各种材料(面向等离子体材料、结构材料、氚增殖剂、中子倍增剂、冷却剂、中子吸收慢化剂等)时，中子经过散射和吸收，最终在包层中实现能量沉积和产氚等功能。产氚包层的主要功能为：

1)通过聚变中子与氚增殖剂的核反应，在包层中增殖聚变反应需要的氚。

2)沉积由聚变中子和堆芯热辐射等方式进入包层的能量，由冷却系统带出并进行热电转换。

3)屏蔽聚变中子和伽马射线，保护包层以外的部件比如真空室、磁体系统和其它加热辅助系统、诊断系统和堆运行人员的安全。

其中氚增殖是聚变堆产氚包层最基本的功能，氚增殖比(Tritium BreedingRatio)是衡量聚变堆产氚性能的物理量，表示产氚包层中产生的氚原子与氘氚反应消耗的氚原子的比值。聚变堆要维持氘氚聚变堆的氚自持，要求产氚包层设计必须保证全堆TBR达到一个大于1的值。

但是，考虑到几何(包层系统外轮廓线、加热诊断设备占据中平面窗口、包层几何非均匀性)、材料(密度、富集度、核素丰度)、核数据库(不确定度)、中子输运程序(不确定度)、中子源(中子空间分布、角度分布、能量分布)等方面的不确定性，产氚包层的氚增殖比会有所降低。此外，聚变堆由于多种工程技术上的原因会造成氚损失，比如：一、产氚包层内部氚增殖材料自身的氚滞留；二、产氚包层结构材料的氚渗透；三、氚提取系统中的氚损失；四、等离子运行过程中，氚的利用率并不高，有个反复抽取、回收、分离、循环再利用的过程，这也会带来相当大的氚损失，对氚自持提出了巨大挑战。因此，如何在保证工程可行性的前提下尽可能提高产氚包层的氚增殖比是聚变堆产氚包层设计的重点与难点。

目前TBR的优化多采用“先局部后全堆”的两步法进行，即先针对全堆极向各典型包层模块进行TBR优化，再将各优化后的典型模块放在全堆模型中校核。现有的氚增殖比优化方法存在以下核心问题：

1)现有优化程序均采用“先局部后整体”的优化思路，在典型包层模块第一壁前加载一14.1MeV的高斯分布体中子源，环向与极向采用反射边界。该源项与特定模块在全堆中所处的中子场有较大差异。计算得到的中子通量密度分布、功率分布等均存在较大差异。因此针对局部模块的分析与优化存在较大误差。

2)极向各个包层模块之间存在强烈的中子干涉现象。优化后的特定包层模块放入全堆模型后得到的TBR提升率不增反降，并且对极向所有模块的TBR均有影响。因此，将各优化后的模块放入全堆后得到的包层系统并不是最优方案。