ITER 实验包层计划综述

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包层模块的设计描述文件（简称 DDD 报告）。 TBWG 主席 Gaincarli 已于 2005 年 10 月向 ITER 国 际组 IT 负责人提交了 TBM 的最终设计描述报告 （DDD）。
中国 ITER 计划有关方面确定了中国将独立发 展产氚实验包层的方针，并承诺按时向 TBWG 提 交 DDD 报告。2004 年 3 月在日本召开的 ITER 第 12 次 TBWG 国际会议上，中国正式提出将在 ITER 装置上独立发展陶瓷氚增殖剂和液态锂铅增殖剂 两种概念的产氚实验包层，并要求与其它国家共享 1/2 或 1/4 的 C、B 实验窗口位置[4],参加 ITER 运行 第一天起的 TBM 实验。
由国际上主要核国家参与的聚变界历时十多
年、耗资近 15 亿美元启动的 ITER 项目，将集成当 今国际受控磁约束核聚变研究的主要科学和技术 成果，第一次在地球上实现能与未来实用聚变堆规 模相比拟的受控热核聚变实验堆，解决通向聚变电 站的关键问题。ITER 计划的成功实施，将全面验 证聚变能源开发利用的科学可行性和工程可行性， 是人类受控热核聚变研究走向实用的关键一步。
TBM 技术不但是从聚变实验堆过度到聚变示 范堆的桥梁，也是聚变能源开发道路上至关重要的 关键技术，而且其产氚技术本身也是敏感技术，利 用产氚实验模块（TBM）可以开展大规模的氚增殖 实验。 ITER 作为迄今各国都远未能实现的特大中 子源（每年总中子产额为：3.83×1026 ～2.75× 1027），通过合理设计 TBM 模块，就可用来高效地 处理裂变反应堆的长寿命核废料，可以大量地增殖 用于裂变电站所需核燃料，也可以大规模地生产放 射性同位素。这些应用，不但对核聚变能的开发具 有重大意义，而且对核裂变能的发展、核科学技术 的发展和大规模应用都有潜在的重大意义。
总聚变功率/ MW Q(聚变功率/加热功率) 14MeV 中子平均壁负载/ MW·m−2 重复持续燃烧时间/s 等离子体大半径/m 等离子体小半径/m 等离子体电流/MA 小截面拉长比 等离子体中心磁场强度/T 等离子体体积/m3 等离子体表面积/m2 加热及驱动电流总功率/MW
500 (700) >10 0.57 (0.8) >500 6.2 2.0 15 (17) 1.7 5.3 837 678 73
如前所述，ITER 实验包层模块计划的发展目 标是为验证将来示范聚变堆 DEMO 的关键技术， 因此各方提出的 TBM 设计方案都是基于本国对聚 变能源发展战略和对聚变示范堆的定义来确定的。
近四十年的世界性研究和探索使托卡马克途 径的热核聚变研究已基本趋于成熟，但是，在达到 商用目标之前，基于托卡马克的聚变能研究和开发 计划还有一些科学和技术问题需要进一步探索。为 此，确定了 ITER 的科学目标[2]：
（1）通过感应驱动获得聚变功率 500MW、Q 大于 10、脉冲时间 500s 的燃烧等离子体；
图 2 TBM 与 ITER 和聚变堆的关系
ITER 实验包层工作组（Test Blanket Working Group, TBWG）于 1994 年由原来的四方建立，在 ITER 计 划 的 过 渡 期 ITA （ ITER Transitional Arrangement，ITA）负责组织、协调 ITER 实验包 层模块 TBM 的研制与实验工作[3]。自 1995 年以来， TBWG 共举行了 17 次会议。其中，在 ITER EDA （Engineering Design Activity, EDA）阶段（1995～ 1998 年）举行了 6 次，在新 ITER 最终工程设计阶 段（1998～2001 年）举行了 4 次。中、美、韩加入 ITER 计划的谈判后，于 2003 年 10 月重组了 TBWG，六方共同参与 ITER 实验包层计划的工作。 前 10 次会议主要是在原 ITER 三方（欧、日、俄； 美国参加了部分会议）的基础上召开的；后 7 次会 议是现在的 ITER 谈判六方共同参与的。
欧盟、日本和俄罗斯等三方已于 1994 年开始 进行各自的 ITER 实验包层模块设计，先后提出了 不同概念的 TBM 模块设计方案（共 4 种），已有比 较成熟的设计和关键技术预研基础。目前正在对已 有的 TBM 设计进行完善，特别是对辅助系统的布 置进行细化。
与 ITER 原三方的 TBM 设计方案相比，中、 韩、美参与 TBM 计划的时间较短，但都提出了自 己的 TBM 发展计划，开展了初步的 TBM 设计。美 国由通用原子公司（GA）牵头, 先后提出了锂铅双 冷和 FLiBe 熔盐两种概念的 TBM 包层计划和方案， 以及分享 A、B 实验窗口的要求，并积极着手发展 自己的 TBM 计划，有逐步赶上来的势头。在经过 仔细研究与技术论证后，美国最终放弃了 FLiBe 熔 盐概念的 TBM 包层方案。韩国目前还没有完善的 实验包层模块设计方案，希望在 ITER 的氘-氚运行 阶段投入自己的 TBM 模块实验。 2.2 发展 TBM 的重要性
关键词：ITER 计划；实验包层模块；氚增殖实验
中图分类号：TL6
文献标识码：A
1 引言
1985 年，美苏首脑在日内瓦峰会上提出建造国 际 热 核 聚 变 实 验 堆 （ International Thermonuclear Experimental reactor，ITER）。此后在欧美日俄四 方科学家与工程师的合作努力下，于 1998 年完成了 ITER 的工程设计，预算为 100 亿美元[1]。在 ITER 的长期设计过程中，托卡马克实验不断取得进展， 原设计依据的较低的约束模式逐步被当前大中型 实验装置弃用，更好的高约束运行模式在近几年的 实验中逐渐被了解和掌握，ITER 计划被要求改进 设计。美国由于其国内聚变政策调整，于 1998 年 退出了 ITER 计划，但欧日俄三方仍然全力推进改 进设计，到 2001 年完成了基于新运行模式的设计及 大部分部件与技术的研发。新设计称为 ITER-FEAT （Fusion Energy Advanced Tokamak），在维持 ITER 原有的主要目标的条件下，经费要求降到约 46 亿 美元，预计建设期为 8～10 年，运行期为 20 年。 目前参与 ITER 计划谈判的六方已同意了新设计和 部件预研，并于 2005 年 6 月达成了将 ITER 建造在 法国卡达拉奇的协议。这六方中，除欧、日、俄外， 中国、美国和韩国分别在 2003 年的 1 月、2 月和 7 月加入 ITER 计划的谈判。根据 ITER 计划的最新 进展，预计将在 2015 年前建成并投入实验。
TBWG 的任务是在实验包层模块的方案选择、 设计与技术研发、国际合作、辅助系统的建立、实 验窗口和设备空间分配、实验计划安排等方面，协 调 各 方 立 场 。 经 过 协 商 ， 重 建 的 TBWG 要 求 ITER-TBM 各参与方必须在 2005 年底前提交实验
第3期
冯开明：ITER 实验包层计划综述
图79分别给出了hcsbtbm截面图整体结构示意图和子模块的材料布置示意图16中国hcsbtbm设计主要参数16结构与材料设计参数说明第一壁面积m0590664w0890h子模块尺寸m026019042极向环向径向中子壁负载mw078表面热负载mw050极端条件下总热沉积mw076nttbm氚产生量g00233按iter运行因子计算氚增殖剂li微丸直径mm球床厚度mm最高温度05190543铍瓦617中子倍增剂be双尺寸mm051结构材料最高温度eurofer97参考设计530铁素体钢第一壁u形双层冷却剂氦气压力mpa进出口温度300500168核聚变与等离子体物理第26hcsbtbm截面图hcsbtbm结构示意图子模块材料布置图为了提高实验模块的安全性实验灵活性以及iter界面和辅助系统的适应性在初步设计的基础上对原hcsbtbm设计做了较大的设计改14
第 26 卷 第 3 期 2006年 9 月
文章编号：0254-6086(2006)03-0161-09
核聚变与等离子体物理 Nuclear Fusion and Plasma Physics
ITER 实验包层计划综述
Vol.26, No.3 Sep. 2006
冯开明
（核工业西南物理研究院，成都 610041）
ITER 是具有 500MW 聚变功率、可持续燃烧 500s 的、世界上第一个热核聚变实验堆。在热核聚 变环境下，它将为人类发展聚变能提供前所未有的 物理和工程实验平台。在其目标中，验证聚变燃料 氚增殖和自持技术，是建造 ITER 的最重要的工程 实验目标之一。
为了验证将来的示范堆（DEMO）和商用聚变 堆的一些关键工程技术（如氚的增殖技术、氚提取 技术、以及能量获取技术、材料综合性能等等）， 在 ITER 装置赤道平面位置上设计了三个实验包层 模块（TBM）窗口，分别进行不同设计概念和不同 实验目标的产氚包层模块实验，也为 ITER 各参与
摘 要：简要介绍了 ITER 计划的发展历程；综述了 ITER 实验包层模块计划（ITER-TBM）的历史、主要技
术路线和最新的设计与研发进展；概述了与实验包层计划相关的 DEMO 聚变堆的定义与发展策略。最后，介绍了
国内开展的基于固体增殖剂概念的 ITER 实验包层的初步设计概况，对 TBM 的研发计划提出了建议。
模块设计、技术研发与实验方案。实验包层与 ITER 和 DEMO 聚变堆的关系如图 2 所示。
在 ITER 装置上设置了三个用于产氚实验包层 的窗口（称为实验窗口 A、B 和 C）。早期的 ITER TBM 被称为产氚实验包层模块，只在 ITER 的 D-T 运行阶段投入实验。后来改称为实验包层模块，期 望在 ITER 运行的第一天投入实验。在 ITER 的不 同运行阶段（H-H、D-D、D-T）安放不同的实验包 层模块，依次进行电磁、热工水力、氚增殖和整体 性能的实验。
方提供了单独进行实验的机会。 ITER-TBWG 主席 Gaincarli 给 ITER 国际组负
责人（IT）关于 TBM 的报告中指出[5]：“ITER 将在 综合聚变环境下，为包层性能测试提供唯一可获得 的机会。ITER-TBM 计划是 ITER 各参与方进行氚 增殖技术和能源获取研发技术的核心问题。 包层 实验是 ITER 关键任务之一，是 ITER 与 DEMO 之 间的决定性纽带”。美国 TBM 计划负责人、国际聚 变界著名人士 Abdou 教授于 2003 年 3 月 11 日在 美国 ITER 实验包层战略研讨会上指出[6]：“对 TBM 几百万美元的投入可以获得极其关键的数据和技 术，是对 ITER 几十亿美元投资的最丰厚的回报”。 同时，强调“美国应积极参加 TBM 计划，确保美 国感兴趣的概念不会被排除在 ITER-TBM 计划之 外”。
ITER 装置的概貌如图 1 所示，基本设计参数 列于表 1 中。
图 1 ITER 装置示意图
பைடு நூலகம்
收稿日期：2005-12-19；修订日期：2006-05-08 作者简介：冯开明（1952-），男，四川仁寿人，研究员，主要从事聚变堆理论与设计工作。
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核聚变与等离子体物理
第 26 卷
表 1 ITER 装置的基本参数[2]
（2）使用非感应驱动产生聚变功率大于 350MW、Q 大于 5、燃烧时间持续 3000s 的等离子 体，研究等离子体的稳态运行。
ITER 做为人类历史上的第一座实验聚变堆， 将为未来发展示范聚变堆 DEMO 和商用聚变堆进 行关键的工程技术实验，其主要工程技术目标是[2]：
（1）演示主要聚变技术的可用性和集成性； （2）为将来的聚变堆试验部件； （3）试验氚增殖模块（TBM）概念。 ITER 目标的实现将为研究和发展用于示范聚 变堆、商用聚变堆的各种技术奠定可靠的科学和技 术基础。经过 ITER 六方专家的技术评估和论证， 认为上述科学与工程技术目标是完全能够实现的。
因此，ITER 各参与方对 TBM 极为重视，都提 出了独立的 TBM 计划方案和实验计划。欧盟、日 本和俄罗斯于 1994 年开始进行 TBM 的设计与技术 研发工作。中国、美国和韩国是 ITER 计划的新参 与方。目前，新参与的三方也都提出要在 ITER 装 置上独立开展自己的 TBM 实验计划，并对实验窗 口及辅助系统的空间安排提出了各自的要求。 2.3 主要技术途径
2 实验包层模块计划
2.1 TBM 的发展历史 ITER 包层分为屏蔽包层和实验包层两种。其
中屏蔽包层主要用于装置的辐射防护，在已经完成 的 ITER-FEAT 设计中有较完善的包层设计和技术 研发。而实验包层模块（Test Blanket Moldule， TBM），主要用于对未来商用示范聚变堆（DEMO） 产氚和能量获取技术进行实验，同时用于对设计工 具、程序、数据等的验证和一定程度上对聚变堆材 料进行综合测试。实验包层由各参与方提出自己的