CFETR离子回旋加热天线中子学分析

伍秋染 卢 棚 郑 俞 杜 华 徐 坤 王永胜童云华 陈 根 刘松林

1（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）

2（中国科学技术大学 合肥 230031）

3（合肥综合性国家科学中心能源研究院 合肥 230031）

中国聚变工程试验堆（China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR）设计成能够演示氚自持、热能发电的托卡马克聚变堆。实现受控核聚变的关键在于能够加热等离子体到足够高的温度，并长时间稳定地约束等离子体。因此为实现聚变堆长期的稳态运行，必须使用辅助加热和非感应电流驱动的手段，当前CFETR的辅助加热系统主要包括电子回旋共振加热、离子回旋共振加热、低杂波加热和中性束注入［1］。CFETR离子回旋加热波的馈入功率为12 MW，频率为60～70 MHz，将由行波天线（Travelling Wave Antenna，TWA）经一个上窗口引入。

天线对等离子体进行加热，需要波能够无障碍直接传播至堆芯等离子体，因此需要占据部分包层的位置作为波传输通道。天线部件直接面对等离子体，其受辐照性能需要做详细评估。另外，天线各部件间存在大量真空间隙，导致中子穿透该区域，增加真空室和窗口内壳的辐照损伤；泄露的中子还将导致其后部的线圈磁体所受辐照增强。因此在天线周围需设计屏蔽结构，以减少真空室、线圈等部件所受的高能中子轰击。

本文对引入离子回旋频率范围（Ion Cyclotron Range of Frequencies，ICRF）天线部件的 CFETR 扇段模型进行模拟计算，获得了全堆中子通量，并通过计 算 真 空 室（Vacuum Vessel，VV）、纵 场 线 圈（Toroidal Field Coil，TFC）以及窗口的辐照损伤，评估当前模型屏蔽是否满足材料限值要求，同时统计了天线各部件的辐照损伤以供后续的天线冷却系统设计和寿命评估，相应的核响应参数包括DPA、气体产生率（氦气、氢气）以及核热密度。由于天线嵌入包层中，使得增殖材料体积减少，因此计算了天线引入后的氚增殖比（Tritium Breeding Ratio，TBR），以评价离子回旋加热天线的引入对CFETR 的TBR 的影响。

1 计算模型与工具

本次计算使用的CFETR 模型为一个22.5°扇段，包含中心螺线管线圈、真空室、包层、偏滤器、纵场线圈、极向场线圈、冷屏、杜瓦和生物屏蔽层。其中包层模块为中国科学院等离子体物理研究所开发的水冷陶瓷增殖包层（Water-cooled Ceramic Breeder，WCCB），其中子学评价已经完成［2］。如图1所示，包层和偏滤器的冷却方式均为水冷，真空室内外壳之间填充硼水以慢化中子；离子回旋加热天线由上窗口引入，窗口内包含包层管林和天线波导；包层在环向上内侧划分为两个模块，外侧划分为3 个模块，在极向上被划分为11 个模块，其中1～5#为外包层，天线发射端嵌入4#包层中，占据整个中间模块，全堆仅有一个离子回旋加热天线。

1.1 离子回旋天线结构

离子回旋天线的主要几何结构如图2（a），沿着远离等离子体方向，主要包括法拉第屏蔽、电流带、背板、传输线和支撑结构，且各部件配有冷却结构，及时带走来自堆芯辐照和自身运行所产生的热量。天线的辐照端面共有8根电流带，沿极向分为两排，为SS316L 基材表面镀铜件，内通水冷；电流带前附有一层法拉第屏蔽以保护电流带并屏蔽一些不必要的场分量。如图2（b）所示，法拉第屏蔽由基板、铬锆铜和钨组成，其中钨直接面对等离子体，铬锆铜作为热沉，基板为SS316L钢材料且内通水冷。背板同样选用SS316L材料，内通水冷。

图1 天线引入位置Fig.1 The position of antenna

图2 天线主要部件 (a)天线结构，(b)法拉第屏蔽结构Fig.2 Main components of antenna(a)Antenna configuration,(b)Faraday shield configuration

同轴传输线由内导（Inner-waveguide）和外导（Out-waveguide）组成，如图3所示，壁厚均为3 mm，其中内外导的内径分别为94 mm 和230 mm，均为SS316L材料。外导采用单层管和法兰组焊件构成，其水冷选用双螺旋管布置在导体外表面；内导同样为单层管，为补偿其受热的变形量，采用插拔链接方式，冷却方式为内通冷却水，且其水冷通道与电流带贯通。

1.2 计算中子学模型

为将上述ICRF天线模型集成到CFETR扇段模型中，基于螺栓、法兰等小部件不影响中子学计算，以及含流道部件在材料均匀化前后的整体计算结果没有较大偏差［3］。因此为便于中子学模拟和建模，对原有的天线几何模型主要做了如下修改和简化，简化后模型见图4。

图3 传输线结构Fig.3 Structure of transmission line

图4 简化后天线几何结构Fig.4 Antenna structure after simplification

1）如图5（a）所示，在原来的结构中，删除外导外壁的冷却水管；对内导中的冷却水进行几何建模，其余通水冷的结构，法拉第屏蔽基板、电流带、背板、冷却水管等均填为实体，材料按体积份额做打混处理。

2）忽略电流带的铜镀层，材料仅为SS316L 钢；将外导连接处的法兰删除，简化内导的绝缘、拔插结构，简化后每根内、外导均为一根连续结构，并在窗口末端截断。根据图5（b），按1～8#对内外导进行编号，以供后续结果分析使用。

3）由于波导主要受到由包层开口处泄露中子的辐照，因此上窗口中的包层管林删除，仅保留并简化其支撑结构。

4）为阻挡中子泄露，在天线周围做了一定的屏蔽结构设计，其中原本4#包层剩余部分也做屏蔽模块处理，屏蔽材料为20%水+80%CLAM钢［4］。

1.3 计算工具

本次计算使用蒙特卡罗粒子输运软件MCNP5［5］，数 据 库 选 用 FENDL-2.1，利 用cosVMPT［6］软件将天线 CAD 模型转换成 MCNP 输入文件，图6 为引入ICRF 天线后的CFETR 中子学模型。由于整个中子学模型包含约4 600 个栅元和5 900 个面，且天线的传输线延伸至窗口末端，为加速中子输运和解决长历史问题，采用GVR“on-thefly”减方差方法［7］，利用迭代更新网格计数的全局中子和光子通量，迭代更新权窗，以加速结果的收敛。

图5 天线波导简化后几何结构和编号(a)内导水冷结构，(b)波导编号Fig.5 Waveguide structure after simplification and the corresponding numbering(a)Cooling water of inner-waveguide,(b)Number of waveguide

图6 ICRF天线引入22.5°扇段CFETR中子学模型Fig.6 Neutronic model of ICRF antenna introduced to one 22.5°CFETR sector

2 计算结果与分析

本次计算针对以上中子学模型，在氘氚反应产生的14 MeV 中子源下，获得全堆中子/光子通量分布。如图7 所示，中子通量在天线前端高于周围区域，且随着远离等离子体方向逐渐降低。同时，在包层背板和真空室内壁之间，中子通量在屏蔽结构外降低1～2 数量级。以下分别统计分析了ICRF 天线引入后，天线各部件以及真空室和窗口在内的辐照损伤，以及对TBR的影响。计算结果归一化到聚变功率1.5 GW，运行一个满功率年（Full Power Year，FPY），根据氘氚反应产生17.586 MeV 能量并释放一个中子可以得到中子发射率为5.32×1020n∙s-1，因此针对计算所使用的1/16 扇段模型，中子发射率为3.33×1019n∙s-1。

图7 上窗口区域中子通量分布Fig.7 Neutron flux distribution in upper port

2.1 天线各部件辐照损伤

针对简化后的ICRF 天线各部件，表1 列出ICRF 天线各部件辐照损伤的最大值（其中法拉第屏蔽的核热密度为均值），根据计算结果，DPA（平均原子离位/满功率年，DPA/FPY）和气体产生率（产生的气体原子/100 万基体原子/满功率年，appm/FPY）最大值均位于法拉第屏蔽的铬锆铜热沉处，分别为12DPA/FPY，121 He appm/FPY 和740H appm/FPY，而核热密度最大值位于法拉第屏蔽的钨保护层，为29.8 W∙cm-3。由于法拉第屏蔽存在间隙，电流带的各核响应参数也较高，分别为7.26 DPA/FPY、77.4 He appm/FPY、412 H appm/FPY和9.28 W∙cm-3。

由计算结果，内外导的核热密度最大值分别为0.783 W∙cm-3和0.525 W∙cm-3，除此之外，同时统计了核热密度沿波导方向的变化，图8为8组内外导的核热密度沿波导方向远离天线背板的衰减，其中核热密度显著降低发生在波导由斜段转为平行z轴的直线段后，这是由于波导的弯折会阻碍一部分中子。相同编号的内外导核热密度衰减基本一致，图中靠外侧的曲线对应图5中的5～8#波导，根据编号，5～8#的波导位于外侧，总长度比1～4#长850 mm左右，故图中5～8#波导的大幅下降所对应的远离背板距离大于1～4#，但衰减幅度和趋势相同。

表1 天线各部件辐照损伤最大值Table 1 Maximum neutron damage in antenna components

图8 内外导核热密度沿传输线方向的衰减Fig.8 Nuclear heating density decrease along transmission line

2.2 真空室和线圈辐照损伤

为确定天线周围所设屏蔽模块的屏蔽效果，窗口区域、真空室内壁和纵场线圈导体的中子通量分布如图9所示。可以看出，在天线周围，真空室和磁体的中子通量有所上升，但通量的最大值并未出现在该区域，而是位于包层模块间真空间隙所对应的区域，因此屏蔽模块能够有效地阻挡因天线引入而造成的中子泄露，具体的辐照损伤计算结果如下。

2.2.1 真空室

对于真空室和窗口部件，研究表明［8］，所用SS316LN不锈钢材料的重复焊接性能主要取决于其氦气浓度，在氦气累积浓度低于1 appm 时，可满足再焊接的需求；同时，作为直接对氚和活化材料的屏蔽，为保证真空室钢材的性能不变，要求DPA 不超过0.5。上窗口周围真空室内壁的辐照损伤最大值及其在天线周围的最大值列于表2。结果表明：天线周围区域的最大值比其他区域低一个量级，DPA为 7.83×10-3DPA/FPY，氦 气 产 生 率 为 8.15×10-3appm/FPY，因此引入ICRF天线且设计屏蔽结构后，在以1.5 GW 聚变功率运行10 FPY，天线周围的真空室辐照损伤不会超出设计限值。

图9 窗口、真空室和纵场线圈导体的中子通量分布(a)上窗口及天线，(b)真空室内壳及TFCFig.9 Neutron flux distribution in up-port,antenna,VV-inner(a)Upper port and antenna,(b)VV-inner shell and TFC

2.2.2 纵场线圈

针对纵场线圈，本次计算统计了线圈钢盒以及超导磁体的核热密度，并根据表3所示的运行方案，假设全堆在10 个满功率年内，依次按200 MW 运行1 FPY、500 MW 运行 2 FPY、1 GW 运行 5 FPY、1.5 GW 运行2 FPY。由模拟结果，获得线圈对地绝缘和磁体的快中子注量率。天线周围对应区域的纵场线圈计算结果及其相关的设计限值［9］见表4。根据计算结果，纵场线圈的4 个核响应参数均未超出限值要求，因此当前的屏蔽设计可以满足磁体的屏蔽需求。

表2 真空室与其天线周围对应区域辐照损伤最大值Table 2 Max irradiation damage in VV and the region around antenna in VV

2.3 TBR

针对一个扇段的基础模型，基于WCCB包层的TBR 为1.151，离子回旋天线占据整个4#包层后，在不考虑其他影响因素时，TBR将降为1.094。由于全堆仅有一个离子回旋加热天线，因此在仅考虑ICRF天线的影响时，天线的引入对全堆的TBR 影响不大，全堆TBR降为1.147，仅降低0.31%，满足在考虑各项误差及氚损失后所要求的TBR≥1.1［10］。

表3 CFETR运行方案Table 3 Operation scenario of CFETR

表4 TFC辐照损伤最大值及其设计限值Table 4 Design limit and the maximum results of neutron response in TFC

3 结语

本文介绍了离子回旋加热天线的主要结构部件及其所选材料，并设计了传输线周围的屏蔽结构，利用cosVMPT 自动化建模程序，建立了简化后的ICRF 天线与CFETR 耦合的22.5°扇段中子学模型。通过GVR“on-the-fly”减方差方法，计算获得全堆中子通量分布、天线结构以及真空室和纵场线圈的辐照损伤。

计算结果表明：针对天线本身，天线面向等离子体部件的各核响应参数均较高，由高到低分别为法拉第屏蔽、电流带、背板和传输线，与其远离等离子体的顺序一致。需进一步评估该水平的辐照损伤对天线性能的影响。

针对真空室和纵场线圈，ICRF 天线引入后，在天线对应区域的真空室、线圈等结构的中子通量和辐照损伤高于周围区域，但并不是最大值，且所有用于屏蔽水平评估的核响应参数均满足设计限值。故当前的屏蔽设计可以满足需求。

在天线占据4#包层中间模块后，全堆的TBR仅由1.151降至1.147，仍满足大于1.1的需求。