中國雙功能鋰鉛實驗包層系統在ITER赤道窗口的界面設計

李 敏，劉松林，靳 強，吳宜燦，，FDS團隊

（1．中國科學院核能安全技術研究所，安徽合肥230031；2．中國科學技術大學核科學技術學院，安徽合肥230027；3．中國科學院等離子體物理研究所，安徽合肥230031）

基于FDS系列不同功能、不同溫度窗口的聚變堆與包層系列概念設計［1－7］，FDS團隊提出了降低風險、兼顧先進性和發展潛力、具有中國特色的ITER液態鋰鉛雙功能實驗包層模塊（DFLL－TBM）［8－11］作為中國的兩個候選包層概念之一，計劃在ITER進行未來聚變示范堆（DEMO）相關氚增殖包層相關技術實驗。

雙功能鋰鉛實驗包層系統（DFLL－TBS）主要由DFLL－TBM、鋰鉛輔助系統、氦氣輔助系統、氚處理系統和測量與控制系統等組成。TBS在ITER建筑物內安裝，涉及到與ITER建筑物、ITER其他系統部件、實驗窗口內相鄰其他方TBS的界面相容性問題。在TBS安裝前需完成TBM與窗口塞、窗口延伸段管林區、TBM冷卻系統與窗口室、氦氣冷卻系統與托卡馬克冷卻水系統、氚系統與氚廠、TBS與熱室等界面設計工作。為了推進TBM計劃，與ITER的建設進度保持一致，ITER國際組組織TBM參與方進行了TBS／ITER界面概念設計活動。

本文根據DFLL－TBS初步概念設計和ITER對TBS界面設計要求、建筑空間規定，給出了DFLL－TBS在ITER赤道窗口的界面設計方案，包括屏蔽塊的初步設計、管林區管道布置和窗口室內輔助系統主要部件的布置，初步設計可以滿足ITER分配的實驗窗口空間要求。

1 系統與界面描述

根據DFLL－TBM的概念設計，TBM上有3條冷卻劑管道（鋰鉛同芯管、氦氣同芯管、緊急情況排空鋰鉛的被動排放管）和1條測量與診斷管線引出ITER生物屏蔽層外與相關輔助、控制系統連接。TBM管道相關參數見表1［12－13］，其中同芯管內、外層管分別流高、低溫流體。

根據ITER國際組TBM窗口分配和輔助系統的空間劃分方案，中國和印度共享2＃實驗窗口［14］。如圖1所示，各TBM與其后的屏蔽塊連接，懸臂安裝在窗口框內［15］組成窗口塞，以便TBM的更換、維護，以及一個TBM實驗失效時不影響相鄰TBM的實驗。DFLLTBM鋰鉛輔助系統設備與提氚單元（鼓泡器）安裝在可移動式輔助設備單元AEU（Auxiliary Equipment Unit）上，當TBM實驗時，AEU駐留在ITER生物屏蔽層外的窗口室內。氦氣冷卻系統和氚處理系統分別安裝在ITER水冷系統拱頂和氚工廠內。

表1 DFLL－TBM管道參考尺寸Table 1 Reference dimension of DFLL－TBM pipes

圖1 窗口塞三維結構視圖Fig．1 3Dstructure view of port plug

圖2為DFLL－TBS主要部件安裝位置以及與ITER建筑形成的主要界面。TBM外接管線穿過屏蔽塊和ITER建筑物，與輔助系統相連時，在實驗窗口形成四個界面：TBM與屏蔽塊之間的界面1，窗口塞與管林區之間的界面2a，生物屏蔽層與AEU之間的界面2b，連接AEU和TBS其他子系統（如氦氣輔助系統、氚提取系統等）的界面3［16］。

圖2 ITER DFLL－TBS界面示意圖Fig．2 Schematic view of ITER DFLL－TBS interfaces

2 TBM／屏蔽塊界面設計

屏蔽塊除為TBM提供固定基座外，主要功能是屏蔽中子。考慮窗口塞內空間限制，參考相關文獻［17－18］，利用CATIA軟件的零件設計和裝配設計模塊將屏蔽塊設計為1 300mm（長）×484mm（寬）×1 660mm（高）鋼水混合結構。如圖3所示，屏蔽塊內焊有19塊厚為10mm的鋼板，兩鋼板之間形成極向流道，水冷卻劑從屏蔽塊法蘭上端管道流進后，沿各極向流道向下流動，從屏蔽塊下端流出。由于氦氣對中子是透明的，無阻擋作用，鋰鉛緊急排放管在正常運行時沒有填充鋰鉛，如果按直管穿墻設計，對中子也必將是透明的，測量與診斷管若按直管穿墻設計也存在同樣的問題，因此將穿過屏蔽塊的氦氣同芯管、鋰鉛排放管、測量與診斷管設計成“S”形彎，形成交叉防護，以增加中子散射次數，提高屏蔽能力。

圖3 DFLL－TBM和屏蔽塊Fig．3 DFLL－TBM and port plug

屏蔽塊前壁上焊有兩個矩形固定座，固定座上有形狀與DFLL－TBM矩形連接鍵相適應的凹槽，安裝時將連接鍵插入固定座，由連接鍵上的柔性螺栓將TBM固定在屏蔽塊法蘭上。屏蔽塊為TBM提供支撐，抵抗等離子體破裂時電磁力對TBM的扭力。

3 管林區界面設計

管林區是窗口塞和ITER機器外部系統之間的管道過渡區，ITER國際組定義了管林區支撐架的外圍尺寸為3 508mm（長）×2 620mm（寬）×2 798mm（高），管林區右側有寬700mm檢修通道［19］，左側剩余空間為中國和印度TBM管道共用區域。假設DFLL－TBM被分配在實驗窗口左側，利用CATIA軟件初步設計出了DFLL－TBS管林區布局，如圖4所示。為降低ITER機器運行中真空室熱膨脹對管道產生的巨大應力，將管林區冷卻劑管道設計成多段“U”形膨脹彎。為使TBM內的鋰鉛在事故情況下能依靠自身重力流入儲存罐，將鋰鉛排放管設計成在水平方向上彎曲。考慮管林區鋼架結構和空間的限制，將氦氣管道膨脹彎設計在豎直平面上。測量管道直線通過管林區。

4 窗口室界面設計

窗口室位于生物屏蔽層后，考慮到TBM的更換和維護，ITER國際組定義了可移動式AEU（8 000mm（長）×2 620mm（寬）×3 780mm（高））［20］，用于容納TBS計劃在窗口室安裝的設備、儀器和過渡管道等部件。當TBM進行實驗時，AEU駐留在窗口室；當TBM需檢修更換時，在切割界面管道后，AEU內的部件隨AEU轉移到ITER臨時停放點，留出空間給遙操設備使用。

圖4 DFLL－TBS管林區Fig．4 DFLL－TBS pipe forest

DFLL－TBS鋰鉛輔助系統安裝在窗口室AEU內。如圖5所示，鋰鉛輔助系統主要由泵系統、氚提取子系統、鋰鉛／氦氣熱交換器、在線監測鋰鉛中雜質的堵塞計、鋰鉛凈化系統（冷阱、磁阱）、鋰鉛儲存罐、氣體系統、加熱裝置、測控裝置、管道等組成，其中氣體系統主要由氣體儲存罐、過濾器、管道和閥門等組成，用于調節回路壓力、提供惰性氣體（氬氣）覆蓋鋰鉛自由液面，防止大氣進入與鋰鉛發生反應［21］。

圖5 DFLL－TBM鋰鉛輔助系統運行流程圖Fig．5 Flow chart of the LiPb auxiliary system for DFLL－TBM

中國和印度共享一個AEU，如何在有限空間內完成DFLL－TBS鋰鉛系統設備布置是一個挑戰。假設有兩種平分AEU空間方案，方案一：中國使用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，中國使用后半部分。根據這兩種假設，利用CATIA軟件設計了DFLL－TBM鋰鉛輔助系統主要部件的兩種布置方案，圖6所示為左右布置，圖7所示為前后布置。兩種布置方案的主要區別如表2所示。

經比較可知，兩方案所需鋰鉛量相當；前后布置所需同芯管長度是左右布置的7．5倍，左右布置有利于同芯管的安裝和使用；前后布置中鋰鉛主回路彎頭和三通接頭多5個，氦氣回路彎頭少5個，由于鋰鉛管道彎頭和三通接頭是引入鋰鉛壓降的主要原因之一，減少鋰鉛管道彎頭及三通接頭可有效降低系統對鋰鉛驅動泵的要求，而對于氦氣回路，由于流體介質為氣體，其管道彎頭多5個，對整個氦氣回路壓降影響不大。從三維布局圖看，前后布置更緊湊，有利于氦氣管道安裝，但由于鋰鉛排放管不能向上彎曲，須經過AEU印度使用區，而印度TBM管道從AEU引出也須經過中國使用區，這要求雙方有更多的交流與合作，協商彼此需要使用對方空間的位置和大小，以及系統安裝、檢測、調試、維護與更換等問題。

綜合分析比較，DFLL－TBS鋰鉛輔助系統比較適合采用左右布置。

表2 鋰鉛輔助系統兩種布置方案的主要區別Table 2 The major difference between the two layout schemes of LiPb auxiliary system

圖6 鋰鉛輔助系統左右布置方案Fig．6 Right－left layout scheme of LiPb auxiliary system

圖7 鋰鉛輔助系統前后布置方案Fig．7 Front－back layout scheme of LiPb auxiliary system

5 總結

本文利用CATIA軟件完成了相關系統與界面的三維建模，初步完成了DFLL－TBS在ITER窗口塞、管林區、窗口室有限空間內的界面設計。基于按前后和左右與印度平均分配AEU空間的假設，進行了鋰鉛輔助系統工藝布置，經過分析比較，初步認為鋰鉛輔助系統左右布置方案比較合理，為將來鋰鉛輔助系統的詳細概念設計提供基礎。

屏蔽塊的屏蔽能力、管林區管道抗ITER運行時因真空室膨脹產生巨大外力的能力仍需分別通過中子學分析、熱－結構應力分析進行校核和優化。輔助設備單元的詳細概念設計需要與印度開展進一步合作，完善、優化部件空間的定義與規劃。

致謝

本文工作是在FDS團隊的支持和幫助下完成的，在此表示感謝。

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