中国双功能锂铅实验包层系统在ITER赤道窗口的界面设计

李 敏，刘松林，靳 强，吴宜灿，，FDS团队

（1．中国科学院核能安全技术研究所，安徽合肥230031；2．中国科学技术大学核科学技术学院，安徽合肥230027；3．中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥230031）

基于FDS系列不同功能、不同温度窗口的聚变堆与包层系列概念设计［1－7］，FDS团队提出了降低风险、兼顾先进性和发展潜力、具有中国特色的ITER液态锂铅双功能实验包层模块（DFLL－TBM）［8－11］作为中国的两个候选包层概念之一，计划在ITER进行未来聚变示范堆（DEMO）相关氚增殖包层相关技术实验。

双功能锂铅实验包层系统（DFLL－TBS）主要由DFLL－TBM、锂铅辅助系统、氦气辅助系统、氚处理系统和测量与控制系统等组成。TBS在ITER建筑物内安装，涉及到与ITER建筑物、ITER其他系统部件、实验窗口内相邻其他方TBS的界面相容性问题。在TBS安装前需完成TBM与窗口塞、窗口延伸段管林区、TBM冷却系统与窗口室、氦气冷却系统与托卡马克冷却水系统、氚系统与氚厂、TBS与热室等界面设计工作。为了推进TBM计划，与ITER的建设进度保持一致，ITER国际组组织TBM参与方进行了TBS／ITER界面概念设计活动。

本文根据DFLL－TBS初步概念设计和ITER对TBS界面设计要求、建筑空间规定，给出了DFLL－TBS在ITER赤道窗口的界面设计方案，包括屏蔽块的初步设计、管林区管道布置和窗口室内辅助系统主要部件的布置，初步设计可以满足ITER分配的实验窗口空间要求。

1 系统与界面描述

根据DFLL－TBM的概念设计，TBM上有3条冷却剂管道（锂铅同芯管、氦气同芯管、紧急情况排空锂铅的被动排放管）和1条测量与诊断管线引出ITER生物屏蔽层外与相关辅助、控制系统连接。TBM管道相关参数见表1［12－13］，其中同芯管内、外层管分别流高、低温流体。

根据ITER国际组TBM窗口分配和辅助系统的空间划分方案，中国和印度共享2＃实验窗口［14］。如图1所示，各TBM与其后的屏蔽块连接，悬臂安装在窗口框内［15］组成窗口塞，以便TBM的更换、维护，以及一个TBM实验失效时不影响相邻TBM的实验。DFLLTBM锂铅辅助系统设备与提氚单元（鼓泡器）安装在可移动式辅助设备单元AEU（Auxiliary Equipment Unit）上，当TBM实验时，AEU驻留在ITER生物屏蔽层外的窗口室内。氦气冷却系统和氚处理系统分别安装在ITER水冷系统拱顶和氚工厂内。

表1 DFLL－TBM管道参考尺寸Table 1 Reference dimension of DFLL－TBM pipes

图1 窗口塞三维结构视图Fig．1 3Dstructure view of port plug

图2为DFLL－TBS主要部件安装位置以及与ITER建筑形成的主要界面。TBM外接管线穿过屏蔽块和ITER建筑物，与辅助系统相连时，在实验窗口形成四个界面：TBM与屏蔽块之间的界面1，窗口塞与管林区之间的界面2a，生物屏蔽层与AEU之间的界面2b，连接AEU和TBS其他子系统（如氦气辅助系统、氚提取系统等）的界面3［16］。

图2 ITER DFLL－TBS界面示意图Fig．2 Schematic view of ITER DFLL－TBS interfaces

2 TBM／屏蔽块界面设计

屏蔽块除为TBM提供固定基座外，主要功能是屏蔽中子。考虑窗口塞内空间限制，参考相关文献［17－18］，利用CATIA软件的零件设计和装配设计模块将屏蔽块设计为1 300mm（长）×484mm（宽）×1 660mm（高）钢水混合结构。如图3所示，屏蔽块内焊有19块厚为10mm的钢板，两钢板之间形成极向流道，水冷却剂从屏蔽块法兰上端管道流进后，沿各极向流道向下流动，从屏蔽块下端流出。由于氦气对中子是透明的，无阻挡作用，锂铅紧急排放管在正常运行时没有填充锂铅，如果按直管穿墙设计，对中子也必将是透明的，测量与诊断管若按直管穿墙设计也存在同样的问题，因此将穿过屏蔽块的氦气同芯管、锂铅排放管、测量与诊断管设计成“S”形弯，形成交叉防护，以增加中子散射次数，提高屏蔽能力。

图3 DFLL－TBM和屏蔽块Fig．3 DFLL－TBM and port plug

屏蔽块前壁上焊有两个矩形固定座，固定座上有形状与DFLL－TBM矩形连接键相适应的凹槽，安装时将连接键插入固定座，由连接键上的柔性螺栓将TBM固定在屏蔽块法兰上。屏蔽块为TBM提供支撑，抵抗等离子体破裂时电磁力对TBM的扭力。

3 管林区界面设计

管林区是窗口塞和ITER机器外部系统之间的管道过渡区，ITER国际组定义了管林区支撑架的外围尺寸为3 508mm（长）×2 620mm（宽）×2 798mm（高），管林区右侧有宽700mm检修通道［19］，左侧剩余空间为中国和印度TBM管道共用区域。假设DFLL－TBM被分配在实验窗口左侧，利用CATIA软件初步设计出了DFLL－TBS管林区布局，如图4所示。为降低ITER机器运行中真空室热膨胀对管道产生的巨大应力，将管林区冷却剂管道设计成多段“U”形膨胀弯。为使TBM内的锂铅在事故情况下能依靠自身重力流入储存罐，将锂铅排放管设计成在水平方向上弯曲。考虑管林区钢架结构和空间的限制，将氦气管道膨胀弯设计在竖直平面上。测量管道直线通过管林区。

4 窗口室界面设计

窗口室位于生物屏蔽层后，考虑到TBM的更换和维护，ITER国际组定义了可移动式AEU（8 000mm（长）×2 620mm（宽）×3 780mm（高））［20］，用于容纳TBS计划在窗口室安装的设备、仪器和过渡管道等部件。当TBM进行实验时，AEU驻留在窗口室；当TBM需检修更换时，在切割界面管道后，AEU内的部件随AEU转移到ITER临时停放点，留出空间给遥操设备使用。

图4 DFLL－TBS管林区Fig．4 DFLL－TBS pipe forest

DFLL－TBS锂铅辅助系统安装在窗口室AEU内。如图5所示，锂铅辅助系统主要由泵系统、氚提取子系统、锂铅／氦气热交换器、在线监测锂铅中杂质的堵塞计、锂铅净化系统（冷阱、磁阱）、锂铅储存罐、气体系统、加热装置、测控装置、管道等组成，其中气体系统主要由气体储存罐、过滤器、管道和阀门等组成，用于调节回路压力、提供惰性气体（氩气）覆盖锂铅自由液面，防止大气进入与锂铅发生反应［21］。

图5 DFLL－TBM锂铅辅助系统运行流程图Fig．5 Flow chart of the LiPb auxiliary system for DFLL－TBM

中国和印度共享一个AEU，如何在有限空间内完成DFLL－TBS锂铅系统设备布置是一个挑战。假设有两种平分AEU空间方案，方案一：中国使用AEU左半部分，印度使用右半部分；方案二：印度使用AEU前半部分，中国使用后半部分。根据这两种假设，利用CATIA软件设计了DFLL－TBM锂铅辅助系统主要部件的两种布置方案，图6所示为左右布置，图7所示为前后布置。两种布置方案的主要区别如表2所示。

经比较可知，两方案所需锂铅量相当；前后布置所需同芯管长度是左右布置的7．5倍，左右布置有利于同芯管的安装和使用；前后布置中锂铅主回路弯头和三通接头多5个，氦气回路弯头少5个，由于锂铅管道弯头和三通接头是引入锂铅压降的主要原因之一，减少锂铅管道弯头及三通接头可有效降低系统对锂铅驱动泵的要求，而对于氦气回路，由于流体介质为气体，其管道弯头多5个，对整个氦气回路压降影响不大。从三维布局图看，前后布置更紧凑，有利于氦气管道安装，但由于锂铅排放管不能向上弯曲，须经过AEU印度使用区，而印度TBM管道从AEU引出也须经过中国使用区，这要求双方有更多的交流与合作，协商彼此需要使用对方空间的位置和大小，以及系统安装、检测、调试、维护与更换等问题。

综合分析比较，DFLL－TBS锂铅辅助系统比较适合采用左右布置。

表2 锂铅辅助系统两种布置方案的主要区别Table 2 The major difference between the two layout schemes of LiPb auxiliary system

图6 锂铅辅助系统左右布置方案Fig．6 Right－left layout scheme of LiPb auxiliary system

图7 锂铅辅助系统前后布置方案Fig．7 Front－back layout scheme of LiPb auxiliary system

5 总结

本文利用CATIA软件完成了相关系统与界面的三维建模，初步完成了DFLL－TBS在ITER窗口塞、管林区、窗口室有限空间内的界面设计。基于按前后和左右与印度平均分配AEU空间的假设，进行了锂铅辅助系统工艺布置，经过分析比较，初步认为锂铅辅助系统左右布置方案比较合理，为将来锂铅辅助系统的详细概念设计提供基础。

屏蔽块的屏蔽能力、管林区管道抗ITER运行时因真空室膨胀产生巨大外力的能力仍需分别通过中子学分析、热－结构应力分析进行校核和优化。辅助设备单元的详细概念设计需要与印度开展进一步合作，完善、优化部件空间的定义与规划。

致谢

本文工作是在FDS团队的支持和帮助下完成的，在此表示感谢。

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