【摘要】：核聚變能是公認的“清潔、安全、永久”的現(xiàn)代戰(zhàn)略能源,是解決全球能源問題的關(guān)鍵。高能聚變中子輻照下聚變堆材料、部件的服役穩(wěn)定性和安全性是制約聚變能發(fā)展的關(guān)鍵核科學(xué)與技術(shù)問題,因此迫切需要發(fā)展聚變中子源測試裝置,用于測試及驗證聚變核材料和堆內(nèi)部件。同時利用聚變中子源來驅(qū)動聚變裂變混合堆,實現(xiàn)聚變能源的早期應(yīng)用�；贕DT磁鏡的聚變中子源具有技術(shù)難度小、結(jié)構(gòu)緊湊、氚消耗量小、運行靈活等優(yōu)點,是一種非常優(yōu)秀的聚變中子源候選方案�，F(xiàn)有的GDT聚變中子源存在能量增益較低的問題,且由于磁體技術(shù)、中性束加熱技術(shù)限制,在工程技術(shù)方面制約了聚變能量增益的提高。為了提高GDT聚變中子源的競爭力,本論文提出了一種在現(xiàn)有工程技術(shù)水平下,通過設(shè)計優(yōu)化提高GDT聚變能量增益的方法,同時開展高能量增益的GDT聚變中子源方案設(shè)計研究。本文主要開展了以下研究工作:(1)提出了在高磁場中性束注入以提高聚變能量增益的方法。通過在強磁場的位置注入中性束,最大限度地提高快離子在折返點的磁場強度和密度;并且能將快離子折返點的磁場強度與中平面磁場強度關(guān)系解耦,進而在保持折返點高磁場強度的條件下,能夠通過降低中平面磁場的方式提高磁鏡比。計算結(jié)果表明,此方案設(shè)計能夠使GDT聚變中子源能量增益在現(xiàn)有設(shè)計的物理和工程基礎(chǔ)之上提高2～3倍。(2)通過詳細分析高密度快離子自身碰撞引起的散射損失,更新GDT聚變中子源中能量平衡、等離子體粒子平衡以及約束時間方程,完成了適用于描述高密度快離子情況下的GDT物理設(shè)計模型。同時,通過合理的設(shè)計,如增大等離子體半徑或磁鏡長度,實現(xiàn)抑制等離子體磁流體不穩(wěn)定性,特別是Fire-hose微觀不穩(wěn)定性的激發(fā)。解決了引入高磁場中性束注入方法后,高密度快離子和磁流體不穩(wěn)定帶來的不利影響。(3)基于最新的高場中性束注入提升聚變能量增益方法,對GDT聚變中子源的兩個主要應(yīng)用方向——聚變材料測試和聚變裂變混合堆,設(shè)計了兩套高能量增益GDT聚變中子源方案。完成了用于聚變材料測試的GDT聚變中子源關(guān)鍵子系統(tǒng)部件,如磁體系統(tǒng)、加熱與加料系統(tǒng)、真空室和氚循環(huán)系統(tǒng)的初步設(shè)計,該方案在當(dāng)前工程技術(shù)水平下具備一定的可行性�；趦�(yōu)化的用于聚變裂變混合堆的GDT聚變中子源設(shè)計方案,開展了 GDT聚變中子源驅(qū)動的次錒系核廢料聚變裂變混合嬗變堆研究,完成了次臨界包層設(shè)計與初步中子學(xué)分析。中子學(xué)結(jié)果表明該聚變裂變混合嬗變堆具有較優(yōu)的應(yīng)用前景。
【圖文】：

功率的最高記錄一一達到了邋１６．１ＭＷ，并持續(xù)了邋１秒的時間Ａ需要指出的是，逡逑經(jīng)過修正瞬態(tài)脈沖的影響（部分注入能量被用于等離子體外部能量，而不是維持逡逑聚變反應(yīng)），ＪＥＴ裝置這次試驗的能量增益達到了邋０．９４邋（而不是圖１．１中標(biāo)注的逡逑Ｑ＝０．６５）ｌ９１。同年１２月，日本在ＪＴ－６０上利用氘－氘放電實驗，獲得了聚變實驗逡逑裝置最高的等離子體三重積參數(shù)：峰值離子溫度￣４５ｋｅＶ，電子溫度￣１０１＾￥，等逡逑離子體密度？１０２（）ｍ－３，標(biāo)志聚變等離子體綜合參數(shù)的聚變?nèi)胤e達到了邋１．５ｘｌ0２１逡逑ｋｅＶｔｎｒ３。折算到氘－氚反應(yīng)，能量增益因子Ｑ值達到了邋１．２５，超過了勞遜判據(jù)逡逑２逡逑

聚變裝置中，采用加速器加速高能氘離子轟擊液態(tài)鋰靶的國際聚變材料輻照逡逑裝置（ＩＦＭＩＦ），其產(chǎn)生的聚變中子能譜與氘氚聚變中子源能譜也有較大不同，如逡逑圖１．２所示。因此，，ｆｆＭＩＦ無法模擬真實的氘氚聚變堆內(nèi)中子能譜，特別是在高逡逑能段的中子能譜偏差較大［２３］。這些高能段的中子會額外引起高劑量氦產(chǎn)額，造成逡逑測試樣品過早的因為氦脆而損壞。這樣得到的測試結(jié)果對于模擬真實聚變中子環(huán)逡逑境值得商榷。逡逑（２）聚變堆關(guān)鍵部件的多物理耦合實驗研究逡逑聚變堆內(nèi)關(guān)鍵部件（如包層、偏濾器等）在包含著強磁場、高梯度溫度場、逡逑重力場等多物理場共同耦合作用下，其服役的穩(wěn)定性、可靠性面臨極大考驗。聚逡逑變堆具有中子能量高（１４．０６ＭｅＶ）、中子流強高（＞１０２Ｑｎ／ｓ）、離子輻照熱流密度逡逑大（２？４０ＭＷ／ｍ２）、強磁場（４？１２Ｔ）、高溫差（４Ｋ￣１０８Ｋ）、放射性氚等特點，其對逡逑內(nèi)部件的可靠性與安全性具有遠不同于裂變堆的特殊性。例如，包層是實現(xiàn)聚變逡逑能轉(zhuǎn)換和聚變氚自持的關(guān)鍵部件，在聚變堆中面臨高通量的高能中子輻照逡逑（＞２ＭＷ／ｍ２，１４．０６ＭｅＶ），強烈的等離子體燒蝕和表面熱沖擊，高梯度變化的熱逡逑負載、溫度場、磁場對包層材料產(chǎn)生強烈的輻照損傷、結(jié)構(gòu)應(yīng)力等。同時，磁場逡逑變化、浮力、湍流、重力共同作用下
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O571

【參考文獻】

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本文編號：2692505