中國雙功能鋰鉛實(shí)驗(yàn)包層系統(tǒng)在ITER赤道窗口的界面設(shè)計(jì)

李 敏，劉松林，靳 強(qiáng)，吳宜燦，，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)

（1．中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所，安徽合肥230031；2．中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230027；3．中國科學(xué)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(shè)計(jì)［1－7］，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)提出了降低風(fēng)險(xiǎn)、兼顧先進(jìn)性和發(fā)展?jié)摿?、具有中國特色的ITER液態(tài)鋰鉛雙功能實(shí)驗(yàn)包層模塊（DFLL－TBM）［8－11］作為中國的兩個(gè)候選包層概念之一，計(jì)劃在ITER進(jìn)行未來聚變示范堆（DEMO）相關(guān)氚增殖包層相關(guān)技術(shù)實(shí)驗(yàn)。

雙功能鋰鉛實(shí)驗(yàn)包層系統(tǒng)（DFLL－TBS）主要由DFLL－TBM、鋰鉛輔助系統(tǒng)、氦氣輔助系統(tǒng)、氚處理系統(tǒng)和測量與控制系統(tǒng)等組成。TBS在ITER建筑物內(nèi)安裝，涉及到與ITER建筑物、ITER其他系統(tǒng)部件、實(shí)驗(yàn)窗口內(nèi)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(qū)、TBM冷卻系統(tǒng)與窗口室、氦氣冷卻系統(tǒng)與托卡馬克冷卻水系統(tǒng)、氚系統(tǒng)與氚廠、TBS與熱室等界面設(shè)計(jì)工作。為了推進(jìn)TBM計(jì)劃，與ITER的建設(shè)進(jìn)度保持一致，ITER國際組組織TBM參與方進(jìn)行了TBS／ITER界面概念設(shè)計(jì)活動。

本文根據(jù)DFLL－TBS初步概念設(shè)計(jì)和ITER對TBS界面設(shè)計(jì)要求、建筑空間規(guī)定，給出了DFLL－TBS在ITER赤道窗口的界面設(shè)計(jì)方案，包括屏蔽塊的初步設(shè)計(jì)、管林區(qū)管道布置和窗口室內(nèi)輔助系統(tǒng)主要部件的布置，初步設(shè)計(jì)可以滿足ITER分配的實(shí)驗(yàn)窗口空間要求。

1 系統(tǒng)與界面描述

根據(jù)DFLL－TBM的概念設(shè)計(jì)，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(guān)輔助、控制系統(tǒng)連接。TBM管道相關(guān)參數(shù)見表1［12－13］，其中同芯管內(nèi)、外層管分別流高、低溫流體。

根據(jù)ITER國際組TBM窗口分配和輔助系統(tǒng)的空間劃分方案，中國和印度共享2＃實(shí)驗(yàn)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(nèi)［15］組成窗口塞，以便TBM的更換、維護(hù)，以及一個(gè)TBM實(shí)驗(yàn)失效時(shí)不影響相鄰TBM的實(shí)驗(yàn)。DFLLTBM鋰鉛輔助系統(tǒng)設(shè)備與提氚單元（鼓泡器）安裝在可移動式輔助設(shè)備單元AEU（Auxiliary Equipment Unit）上，當(dāng)TBM實(shí)驗(yàn)時(shí)，AEU駐留在ITER生物屏蔽層外的窗口室內(nèi)。氦氣冷卻系統(tǒng)和氚處理系統(tǒng)分別安裝在ITER水冷系統(tǒng)拱頂和氚工廠內(nèi)。

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(jié)構(gòu)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(tǒng)相連時(shí)，在實(shí)驗(yàn)窗口形成四個(gè)界面：TBM與屏蔽塊之間的界面1，窗口塞與管林區(qū)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(tǒng)（如氦氣輔助系統(tǒng)、氚提取系統(tǒng)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(shè)計(jì)

屏蔽塊除為TBM提供固定基座外，主要功能是屏蔽中子?？紤]窗口塞內(nèi)空間限制，參考相關(guān)文獻(xiàn)［17－18］，利用CATIA軟件的零件設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)模塊將屏蔽塊設(shè)計(jì)為1 300mm（長）×484mm（寬）×1 660mm（高）鋼水混合結(jié)構(gòu)。如圖3所示，屏蔽塊內(nèi)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(jìn)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(yùn)行時(shí)沒有填充鋰鉛，如果按直管穿墻設(shè)計(jì)，對中子也必將是透明的，測量與診斷管若按直管穿墻設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成“S”形彎，形成交叉防護(hù)，以增加中子散射次數(shù)，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(gè)矩形固定座，固定座上有形狀與DFLL－TBM矩形連接鍵相適應(yīng)的凹槽，安裝時(shí)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(shí)電磁力對TBM的扭力。

3 管林區(qū)界面設(shè)計(jì)

管林區(qū)是窗口塞和ITER機(jī)器外部系統(tǒng)之間的管道過渡區(qū)，ITER國際組定義了管林區(qū)支撐架的外圍尺寸為3 508mm（長）×2 620mm（寬）×2 798mm（高），管林區(qū)右側(cè)有寬700mm檢修通道［19］，左側(cè)剩余空間為中國和印度TBM管道共用區(qū)域。假設(shè)DFLL－TBM被分配在實(shí)驗(yàn)窗口左側(cè)，利用CATIA軟件初步設(shè)計(jì)出了DFLL－TBS管林區(qū)布局，如圖4所示。為降低ITER機(jī)器運(yùn)行中真空室熱膨脹對管道產(chǎn)生的巨大應(yīng)力，將管林區(qū)冷卻劑管道設(shè)計(jì)成多段“U”形膨脹彎。為使TBM內(nèi)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(shè)計(jì)成在水平方向上彎曲。考慮管林區(qū)鋼架結(jié)構(gòu)和空間的限制，將氦氣管道膨脹彎設(shè)計(jì)在豎直平面上。測量管道直線通過管林區(qū)。

4 窗口室界面設(shè)計(jì)

窗口室位于生物屏蔽層后，考慮到TBM的更換和維護(hù)，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(jì)劃在窗口室安裝的設(shè)備、儀器和過渡管道等部件。當(dāng)TBM進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，AEU駐留在窗口室；當(dāng)TBM需檢修更換時(shí)，在切割界面管道后，AEU內(nèi)的部件隨AEU轉(zhuǎn)移到ITER臨時(shí)停放點(diǎn)，留出空間給遙操設(shè)備使用。

圖4 DFLL－TBS管林區(qū)Fig．4 DFLL－TBS pipe forest

DFLL－TBS鋰鉛輔助系統(tǒng)安裝在窗口室AEU內(nèi)。如圖5所示，鋰鉛輔助系統(tǒng)主要由泵系統(tǒng)、氚提取子系統(tǒng)、鋰鉛／氦氣熱交換器、在線監(jiān)測鋰鉛中雜質(zhì)的堵塞計(jì)、鋰鉛凈化系統(tǒng)（冷阱、磁阱）、鋰鉛儲存罐、氣體系統(tǒng)、加熱裝置、測控裝置、管道等組成，其中氣體系統(tǒng)主要由氣體儲存罐、過濾器、管道和閥門等組成，用于調(diào)節(jié)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(jìn)入與鋰鉛發(fā)生反應(yīng)［21］。

圖5 DFLL－TBM鋰鉛輔助系統(tǒng)運(yùn)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(gè)AEU，如何在有限空間內(nèi)完成DFLL－TBS鋰鉛系統(tǒng)設(shè)備布置是一個(gè)挑戰(zhàn)。假設(shè)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(jù)這兩種假設(shè)，利用CATIA軟件設(shè)計(jì)了DFLL－TBM鋰鉛輔助系統(tǒng)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(qū)別如表2所示。

經(jīng)比較可知，兩方案所需鋰鉛量相當(dāng)；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(gè)，氦氣回路彎頭少5個(gè)，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(tǒng)對鋰鉛驅(qū)動泵的要求，而對于氦氣回路，由于流體介質(zhì)為氣體，其管道彎頭多5個(gè)，對整個(gè)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(jīng)過AEU印度使用區(qū)，而印度TBM管道從AEU引出也須經(jīng)過中國使用區(qū)，這要求雙方有更多的交流與合作，協(xié)商彼此需要使用對方空間的位置和大小，以及系統(tǒng)安裝、檢測、調(diào)試、維護(hù)與更換等問題。

綜合分析比較，DFLL－TBS鋰鉛輔助系統(tǒng)比較適合采用左右布置。

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

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

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

5 總結(jié)

本文利用CATIA軟件完成了相關(guān)系統(tǒng)與界面的三維建模，初步完成了DFLL－TBS在ITER窗口塞、管林區(qū)、窗口室有限空間內(nèi)的界面設(shè)計(jì)?；诎辞昂蠛妥笥遗c印度平均分配AEU空間的假設(shè)，進(jìn)行了鋰鉛輔助系統(tǒng)工藝布置，經(jīng)過分析比較，初步認(rèn)為鋰鉛輔助系統(tǒng)左右布置方案比較合理，為將來鋰鉛輔助系統(tǒng)的詳細(xì)概念設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

屏蔽塊的屏蔽能力、管林區(qū)管道抗ITER運(yùn)行時(shí)因真空室膨脹產(chǎn)生巨大外力的能力仍需分別通過中子學(xué)分析、熱－結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析進(jìn)行校核和優(yōu)化。輔助設(shè)備單元的詳細(xì)概念設(shè)計(jì)需要與印度開展進(jìn)一步合作，完善、優(yōu)化部件空間的定義與規(guī)劃。

致謝

本文工作是在FDS團(tuán)隊(duì)的支持和幫助下完成的，在此表示感謝。

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