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3.总结
4.参考资料
1.概述：
ITER测试包层工作小组TBWG（TestBlanketWorkingGroup）要求ITER的每一个参与方都要参加TBM（TestBlanketModules）项目并提供各自的包层设计报告DDD（designdescriptiondocument），本文主要介绍了当前国际上的部分国家TBM的设计概况。
ITER最主要的目标之一就是测试和验证一个功率反应堆的氚增殖包层的性能。
这项测试对象就是TBM。
ITER提供3个赤道窗口，编号分别为#16、#18、#2（1.75m宽2.2m高）用以TBM测试，实验最多可以测试6个TBM。
TBM测试的主要目标：
▪验证TBM结构的完整性;
▪氚增殖性能和实时地提氚与控制技术;
▪具有获取和传输高能热能的能力，提高热功率;
▪获得不同运行条件下的综合性能参数。
图1.1ITER-TBS（TestBlanketSystem）和赤道窗口示意图
TBM/TBS的设计必须要满足ITER的功率需求，其主要设计要求包括：
▪最大聚变额定功率：
0.5GW；
▪最大聚变能偏移（MaximumFusionPowerExcursions）：
20%；
▪偏移持续时间：
~10s；
▪脉冲持续时间：
400s；
▪脉冲重复时间：
>
1800s；
▪第一壁能移除最大约为0.5MW/㎡表面热通量；
▪TBS满足一定的TBR；
▪总的TBM热能：
~3MW；
▪最大的中子壁负载：
0.78MW/㎡。
测试包层系统TBS（TestBlanketSystem）主要由以下系统组成：
•TheTestBlanketModule（TBM）.
•TheTBMPortPlug（PP）.
•Interspace/PortCellPiping（IP）.
•TheHeliumCoolantSystem（HCS）.
•TheCoolantPurificationSystem（CPS）.
•Othersystems.
表1.1不同实验包层模块概念的基本特征
TBM概念
冷却剂
氚增殖剂
中子倍增剂
结构材料
代表各国
氦冷/陶瓷
氦冷
锂陶瓷
铍
铁素体钢
所有
氦冷/锂铅
液态锂铅
铅
欧、美、中
水冷/陶瓷
水冷
日
自冷/锂钒
自冷/锂
液态锂
无
钒基合金
日、俄
自冷/熔盐
熔盐/FLiBe
美（已放弃）
本文简要地对不同种类TBM的、要求、结构和功能经行了概述。
TBM/TBS的设计必须要满足ITER的功率需求，这些要求是不同的研制单位设计TBM的框架与基础。
各个国家或科研单位依据统一的TBM设计要求设计了自己的TBM。
本文主要介绍了各国TBM的概况，对于每一个TBM概述框架涵盖了它的工程描述、中子学分析和热工水力分析。
工程描述主要包含了TBM的机械构成和主要部件的运作原理。
介绍了TBM的第一壁（FW）、氚增殖区（TBZ）、中子倍增区（Multiplier）、屏蔽层（shielding）和其他框架结构（Frame）。
重点说明了第一壁、中子倍增区和氚增殖区的机械结构、几何布置、冷却剂管道的设计排布以及冷却剂在TBM中的循环方式。
也介绍了各部件的冷却原理和其中的冷却剂通道的几何排布。
对于固体氚增殖包层还介绍了净化气体（Prugegas）管道的布置和作用。
对于液态金属氚增殖包层也介绍了液态金属的作用和流动循环方式。
其次，本文介绍了不同TBM的中子学分析和相关内容。
主要介绍了针对不同TBM所建立的中子学模型以及所使用的模拟软件和相应的数据库。
同时也对TBM的热工水力学分析进行了介绍。
与中子学类似，大致介绍了热工水力分析所建立的模型、分析软件。
最后对温度或压力模拟的结果经行了简要地分析。
最后本文对不同TBM的特点和差异作了总结。
主要说明了不同TBM的统一设计原理、作用和必要的组成结构。
分析了部分TBM优异的设计特点，其中很多优异的设计特点对于未来TBM的设计起到了指导性的作用。
2.1HCPB（EuropeanHeliumCooledPebbleBed）
2.1.0HCPB概述
研制单位：
法国原子能委员会（FranceCAE）
氚增殖剂：
陶瓷氚增殖剂（LiSiO/LiTiO）
中子倍增剂：
Be
冷却剂：
He
结构材料：
RAFM钢
HCPB采用的是一种陶瓷包层，它是欧洲包层项目的两个包层概念的其中之一。
HCPB最显著的设计特点是使用了陶瓷增殖燃料和铍倍增剂。
它以一种平坦的燃料球床形式存在。
其中球床被加固板分离，同时也被冷却板冷却。
图2.1.1HCPB-TBM的局部示意图
在高温高压的条件下，氦冷却剂在第一壁中流动。
其增殖区域被限定在很小的通道内。
当冷却剂流过球床后，带走了氚增殖剂所产生的氚，并最终被氚收集系统所收集。
从安全的角度分析，陶瓷氚增殖剂和铍增殖剂的结合提高了HCPB的固有安全性。
唯一的不足是在高温高压的情况下铍和水或铍和气体发生反应产生氢气。
表2.1.1HCPB包层的主要设计
第一壁热通量
0.5MW/㎡
壁的中子负载
2.4MW/㎡
氦的进出口温度
300/500°
C
氦冷却剂的工作压力
8MPa
包层模块压力下降的估值
0.403MPa
以下值的设计最大温度：
·
第一壁（钢）
冷却板（钢）
陶瓷增值剂
552°
547°
920°
650°
氚增值比
1.14
HCPB包层设计基于以下要求：
▪陶瓷增殖剂和中子倍增剂以一种平坦的球床形式被冷却板包含和冷却，其中球床和冷却板被包含在包层的第一壁中。
▪陶瓷球床是由铝的正硅酸盐或偏钛酸铝制成的统一尺度的球床。
▪一毫米的直径是球床唯一的尺度。
▪结构材料是RAFM钢（ReducedActivationFerriticMartensiticsteel）
▪面向等离子体的壁是由U形的结构构成的，它同包层模块的另外一侧的壁共同构成第一壁。
氦通道包含在这种U形结构中。
氦气以一种径向-环向-径向的形式流动。
▪陶瓷增殖燃料被含有氦冷却剂管道的冷却剂板冷却。
▪在8MPa的高压下，包层模块和包层结构被氦冷却。
▪在低压（0.1MPa）下的分离净化气体系统带走了增殖材料产生的氚。
该系统也使氚的分压足够低，避免氚在主冷却剂系统中的过量渗漏。
图2.1.2三维的HCPB包层的分解示意图
2.1.1HCPB工程描述
HCPB–TBM是由以下几个部分组成：
▪第一壁FW
▪盖板Caps
▪栅格Grid
▪增值区BU（BreederUnits）
▪背板和歧管/集合管BackPlate/Manifold
HCPB-TBM被安置于框架结构的上半部分。
极向方向和环向方向的尺寸分别是780mm和1310mm，径向方向的最大尺寸是800mm。
如果考虑到相邻HCPB-TBM之间的20mm的间隔，每个HCPB-TBM的尺寸是740mm高1270mm宽。
第一壁是没有曲率的片面，考虑到第一壁的结构，它的最小厚度是20mm。
2mm厚的铍层保护着HCPB-TBM第一壁。
如果包含机械接触在内，HCPB-TBM的径向尺寸大约为700mm。
图2.1.3HCPB-TBM的结构分解示意图
HCPB-TBM第一壁中，通道总数是14个（42个单一的通道），这些通道在弯曲板面两头的末梢截止，交界面处布有孔道。
这些小孔被排成了两排并分别对应着出口集合管和入口歧管。
管的出口端和入口端分别在板的两端交替，结构如下图所示。
图2.1.4HCPB-TBM的FSW管道结构示意图
40mm厚的模块箱的上下两面是由盖板构成。
就像第一壁一样,为了达到冷却的目的，盖板被很多冷却管道所覆盖。
为了调控冷却能力，盖板被许多长度不一的冷却管覆盖，以便适应系统产生的特殊功率。
盖板是有由两个厚度相等的平板构成。
其中的冷却管的极向方向截面是20mm，径向方向的截面是10mm。
盖板焊接在FSW上，形成HCPB-TBM的上下两个面。
图2.1.5盖板上的冷却剂通道示意图
栅格可以让包层承受冷却剂系统中的8ＭPa的压力。
氦气流经其内部曲折的通道（如下图所示），使得栅格得到充分冷却。
除了钢片本身的热量以外，它还带走了增值模块里的热量。
栅格所移走的热量占总热量的20％～30％，所以它的冷却能力是不可忽视的。
图2.1.6栅格整体（左）和栅格上的冷却剂通道（右）
HCPB的增值模块由四个容器和一个支撑板构成，容器中填充有陶瓷增殖球（LiSiO/LiTiO）。
容器的外表面和加固栅格之间被铍球填充，BU是HCPB的重要部分，它直接决定了HCPB的很多性能，如TBR、热效率（由He的最大出口温度所决定）、热力学性能和等。
图2.1.7HCPB的增殖模块示意图
图2.1.8BU冷却板上的氦冷却剂管道的排布示意图
背板位于TMB的尾部，起到机械加固作用的同时，也构成了高压歧管/集合管系统，该系统为TMB的各部分（FW、BU、盖板、栅格）供给氦气，背板也为低压净化系统（lowpressurepurgesystem）提供歧管/集合管。
TBM的最尾部设计安装的是接口系统（TMBportplugInterfaceSystemPP-IS）。
PP-IS由以下几个子系统构成：
a.机械固定系统（echanicalattachment）；
b.管道连接系统（Pipeconnections）；
c.接地系统（Grounding）；
d.抓取系统（grippingsystem）。
图2.1.9PP-IS的机械固定系统
2.1.2HCPB中子学分析
HCPB-TBM的中子学计算是由MCNP-4C完成的，其中的核截面数据来自FENDL-2data实验室。
一个20度的圆环截面模型是计算的基础。
已经计算出了HCPB-TBM每个栅元中所产生的核功率。
一个HCPB-TMB的总功率大约是0.67MW。
图2.1.10嵌有HCPB-TMB的ITERMCNP模型的径向-极向切面图
2.1.3HCPB热工水力学分析
包层里的冷却剂流动方案取源于DEMOblanket。
模拟对四分之一的TBM进行了热工水力学评估。
热分析和热工水力学分析
▪工具：
ANSYS
目标：
分析不同参数下的2D和3DTBM模型，计算温度场和应力场。
RELAP/ATHENAcodes
模拟瞬态，整个He回路。
STAR-CD
3D流体力学计算，分析MFs和FW通道的流速、压降和导热系数。
冷却剂首先流过FW，然后平行地流过盖板和栅格，最后流过增殖区。
为了增加TBM的可控性和FW与BU的冷却去耦效应，冷却剂在流过FW之后，流入BU之前，设置了一个冷却剂的旁路。
图2.1.11HCPB-TBM氦冷却剂流动方案
图2.1.12HCPB-TMBFW中的冷却剂管道实物图（左），冷却剂管道的横截面（右）
在分析第一壁内冷却剂管道截面的温度时可以发现，对于两种不同的冷却剂管道排布方式，来回循环的冷却剂流动方案比单一方向的冷却剂流向设计地更加合理。
如下图所示，对于单一流向的冷却剂管道内，氦冷却剂被加热的部分只集中在等离子体一侧。
相比于前者，来回流向的冷却剂管道内氦的加热区域除了等离子体受热面以外，上下侧区域也被加热，增大了冷却剂的受热体积，提升了冷却剂的冷却效率，更加有利于FW/FSW的降温。
图2.1.13单一方向排布的冷却剂管道截面（左）和交替排布的冷却剂管道截面（右）的温度分布图
2.2HCLL（EuropeanHeliumCooledLithiumLeadTestBlanketModule）
2.2.0HCLL概述
增殖剂：
液态金属（Pb-15.Li-7）
氦
马氏体钢（EUROFER）
HCLL-TBS（TestBlanketSysten）适用于真实聚变环境下的测试模型。
要求可以在正常或偏离正常的工况下具有转移表面热流能量的能力。
HCLL-TBM主要包括第一壁、增殖区域、屏蔽层和结构框架。
HCLL-TBM被安置在ITER的赤道窗口内并被凹嵌在真空室里。
图2.2.1HCCL-TBM的三维示意图
表2.2.1HCCL-TBS的各部件材料
TBM
第一壁保护层
铍层
中子倍增区
Pb-15.Li-7
氚增殖区
管道
不锈钢
PP（TBMPortPlug）
不锈钢（AISI316L）
屏蔽材料
不锈钢（austeniticsteelTBD）
水
IP（Interspace）
HCLL-TBM主要有以下设计目标:
▪确保整个过程氚增殖的可能性，并可以外推出整个包层的外部尺寸；
▪为了产生足够的电能，要确保产生和传输足够的热能；
▪具备实时的氚恢复能力和控制系统；
▪校验包括中子学、电磁学、热传输和流体力学的设计工具和数据库；
▪在不同负载的情况下，确保包层系统的整体性能；
▪在包层模块测试时，观察可能的辐射效应；
▪分析工具的校验。
2.2.1HCLL工程描述
HCLL-TBM的主要特点是它的包层是由水平方向的矩形截面的通道所冷却，TBM由冷却过的栅格构成，栅格起到了加固包层的作用，以便当TBM发生冷却剂泄漏事故时可以承受冷却剂循环系统内的8MPa压强。
增殖剂Pb-Li在栅格所形成的径向腔室里流动。
每一个腔室里会嵌入一个增殖剂冷却单元BU（breedercoolingunit），用以确保增殖剂的温度保持在正常的范围内。
每一个BU包含五个径向-环向的板CPs（CoolingPlates），冷却板是由其内部的双U形管冷却，并焊接到BU的背侧。
位于BU背板后侧的两个BU收集器（BUcollectors）的作用是分配和收集冷却板里的氦。
图2.2.2HCLL-TBM的径向-极向截面示意图（上半部）
氦冷却剂循环的初始温度是300度，而后冷却剂会平行地流过FW并带走表面所沉积的热能和增殖区所产生的一小部分能量，之后氦流过冷却板，带走由增殖区所产生的大部分能量，最后流出出口时的温度是500度。
为了提高PbLi液态金属的流动速度从而达到较高的循环效率，同时又要避免液态金属流动地过快，所以在整个包层的冷却剂循环方案的设计上，采用的是一种平行直线的回路设计而不是曲折的设计。
液态金属首先从外部的歧管流入。
为了使液态金属到达一个稳定且适中的速度，液态金属会经过BU背部的流速分配箱。
当液态金属流过BU后，通过一个总管从BU中流出。
PbLi液态金属的排放口安置于TBM的底部，同时在整个液态金属循环系统里，液态金属收集箱也被安置在TBM的水平位置以下，这是一种非能动的流动设计。
这意味着在人为主动的方法（activemethod）无法工作时（比如从上端注入惰性气体），液态金属仅仅依靠重力就可以实现循环，这样的设计提高了系统的固有安全性。
图2.2.3HCLL-TBMPbLi液态金属流动示意图
2.2.2HCLL中子学分析
HCLL-TBM的中子学分析使用的是由MCNP软件，采用的是FEND2.0核数据库。
三维ITER的MCNP模型和比较精确的TBM模型已经建立。
模型被安置在ITER赤道窗口的位置。
在赤道窗口周围，TBM由一定厚度的钢和水包围。
模型中的中子通量和质子通量也被计算得出。
图2.2.4三维反应堆模型极向-径向方向截面示意图
2.2.3HCLL热工水力学分析
对于FW和增殖区的热工水力分析采用的是有限元分析方法和简化的热工水力学球估算的方法（thermalhydraulicglobalestimations）。
图2.2.5HCLL-TBM的有限元模型（红色区域：
FW，蓝色区域；
冷却板CP；
黄色区域；
PbLi液态金属）
图2.2.6HCLL-TMB的冷却板的温度模拟
图2.2.7第一壁的温度分布（面向等离子体一侧）
在TBM内部的子系统中和外面的循环系统中，液态金属的每一部分的压降也得到了估算。
在增殖区的液态金属产生压降的原因之一是管壁表面的摩擦，它是由管壁表面的光滑度和流体的速度决定的。
还有一个原因是当在一定温度下由于流体的加速而产生了体积的变形，从而产生了一定的压降。
图2.2.8增殖区内的液态金属流动压降示意图
2.3HCSB（U.S.Helium-CooledSolidBreeder）
2.3.0HCSB概述
加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）
锂的陶瓷球（LiSiO）
铍
F82H、铁素体刚
美国选用了氦冷固体增殖、铁素体刚和铍中子增殖剂所构成的包层概念做为ITERTMB的测试增殖包层。
锂的陶瓷球作为增值材料是这种概念设计的基础。
图2.3.1HCSB-TBM示意图
在子模块的设计中，增殖区域安置在铁素体钢U型的FW结构箱中，表面的FW厚度是28mm。
其平均表面热流为0.3MW/㎡。
HCSB-TBM的FW和FSW中子负载是0.78MW/㎡，HCSS的FW设计成可以传输0.307的总沉积热的结构。
在模块中，有两种设计装置被安置在FW结构箱的后面。
一种设计是铍和增值床被垂直地安置于等离子区域的方向上，另外一种布局格式是增值区域平行与等离子体区域。
图2.3.2四分之一窗口的子模块
2.2.2HCSB工程描述
HCSB-TBM的表面热负载是0.53MW/㎡，为了确保较高的热传输效率，冷却剂就要求有很高的传输速度。
通过把五个冷却剂通道组合在一个结构中可以降低冷却剂的流通面积，从而增大冷却剂的流速。
图2.3.3FW的截面示意图（上），五个冷却剂管道的局部示意图（下）
当采用低温运行设计的情况下，氦冷却剂首先流过增殖区域的通道，然后再进入第一壁，因为这种设计的主要目的就是使增殖区域保持在一个较低的温度下。
当采用高温运行设计的情况下，情况就会反过来，冷却第一壁结构就成为了首要任务。
因为过高的冷却剂流速会使出口端的冷却剂温度变低，所以当冷却剂流出增值区和流入FW之间时，大约有10%的冷却剂会通过旁路流出。
剩下的冷却剂会流入四条通道，从而冷却上下两个面的盖板和两个增殖设备，
图2.3.4低温时中子学计算模块（左），反应堆温度下的热力学计算模块（右）
氦冷却剂在分层的设备排布中主要是环向流，而在侧位的装置里则大部分是径向流。
在侧位，增殖区的氦冷却剂被分成两条支流，一条流入较远的左边子单元再进入增殖区，另一条则是从右侧进入，两条通道都是径向地排布在前段，然后再转弯流回歧管。
每条冷却剂在通过增值区域的冷管后会流入下一个管，直达它流入最后一个增值区域，最终在出口通道里汇流并通过出口集合管。
在增殖区侧位装置上存在着两种温度梯度（径向和环向），在增值区的分层设备中主要是径向温度梯度。
增殖球床上的这种二维温度梯度最终会影响到TBR。
图2.3.5侧位装置的冷却剂集合管设计（左），分层装置的冷却剂集合管设计（右）
2.3.2HCSB中子学分析
计算结果可由基准测试程序和校正过的数值代码或采用分析方法计算得出。
（ITERtestresultscanbeusedtobenchmark/calibrateanynumericalcodesoranalyticalmethods）。
为了提高复杂情况下代码的最大可信度，该设计的重要准则是高阶的偏微分方程可以满足几何尺寸的要求。
图2.3.6HCSB的中子学计算模型
2.3.3HCSB热工水力学分析
分析的对象是一个整体包层模块的子模块，其中包含了五条冷却剂通道。
为了第一壁在热传输时计算准确性和瞬态分析下计算的方便，这个模型在第一壁表面采用了10个四边形的单元，沿着模型外侧的周长的横截面是一个常数。
电脑计算总的单元是280,570个。
图2.3.7HCSB-TBM第一壁的模型
分析结果：
1）符合设计要求：
固态氚增殖剂和铍球床的计算温度低于固态增殖球床典型的运行温度限值850℃和铍球床的限值600℃。
2）温度最大最小值的位置：
最高温度是790.76℃，位于模型的固态增值球床（靠近第一壁处）左半边（侧立结构）。
最低温度为325.125℃，位于第一壁侧面结构和第一壁内侧结构上。
3）两种温度梯度：
层式结构的增殖球床的温度梯度主要在径向。
而在侧立结构中，径向和环向都有温度梯度。
二维的温度梯度将影响固态增值球床的热力性能。
图2.3.8HCSB-TBM增值区域的温度模拟
2.4DCLL（DUALCOOLANTPb-17LiTESTBLANKETMODULE）
2.4.0DCLL概述
通用原子能公司（GeneralAtomics）；
加利福尼亚州立大学（UniversityofCalifornia）；
橡树岭国家
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