ITER 实验包层计划综述

关键词：ITER 计划；实验包层模块；氚增殖实验
中图分类号：TL6
文献标识码：A
1 引言
1985 年，美苏首脑在日内瓦峰会上提出建造国 际 热 核 聚 变 实 验 堆 （ International ctor，ITER）。此后在欧美日俄四 方科学家与工程师的合作努力下，于 1998 年完成了 ITER 的工程设计，预算为 100 亿美元[1]。在 ITER 的长期设计过程中，托卡马克实验不断取得进展， 原设计依据的较低的约束模式逐步被当前大中型 实验装置弃用，更好的高约束运行模式在近几年的 实验中逐渐被了解和掌握，ITER 计划被要求改进 设计。美国由于其国内聚变政策调整，于 1998 年 退出了 ITER 计划，但欧日俄三方仍然全力推进改 进设计，到 2001 年完成了基于新运行模式的设计及 大部分部件与技术的研发。新设计称为 ITER-FEAT （Fusion Energy Advanced Tokamak），在维持 ITER 原有的主要目标的条件下，经费要求降到约 46 亿 美元，预计建设期为 8～10 年，运行期为 20 年。 目前参与 ITER 计划谈判的六方已同意了新设计和 部件预研，并于 2005 年 6 月达成了将 ITER 建造在 法国卡达拉奇的协议。这六方中，除欧、日、俄外， 中国、美国和韩国分别在 2003 年的 1 月、2 月和 7 月加入 ITER 计划的谈判。根据 ITER 计划的最新 进展，预计将在 2015 年前建成并投入实验。
总聚变功率/ MW Q(聚变功率/加热功率) 14MeV 中子平均壁负载/ MW·m−2 重复持续燃烧时间/s 等离子体大半径/m 等离子体小半径/m 等离子体电流/MA 小截面拉长比 等离子体中心磁场强度/T 等离子体体积/m3 等离子体表面积/m2 加热及驱动电流总功率/MW
500 (700) >10 0.57 (0.8) >500 6.2 2.0 15 (17) 1.7 5.3 837 678 73
如前所述，ITER 实验包层模块计划的发展目 标是为验证将来示范聚变堆 DEMO 的关键技术， 因此各方提出的 TBM 设计方案都是基于本国对聚 变能源发展战略和对聚变示范堆的定义来确定的。
TBM 技术不但是从聚变实验堆过度到聚变示 范堆的桥梁，也是聚变能源开发道路上至关重要的 关键技术，而且其产氚技术本身也是敏感技术，利 用产氚实验模块（TBM）可以开展大规模的氚增殖 实验。 ITER 作为迄今各国都远未能实现的特大中 子源（每年总中子产额为：3.83×1026 ～2.75× 1027），通过合理设计 TBM 模块，就可用来高效地 处理裂变反应堆的长寿命核废料，可以大量地增殖 用于裂变电站所需核燃料，也可以大规模地生产放 射性同位素。这些应用，不但对核聚变能的开发具 有重大意义，而且对核裂变能的发展、核科学技术 的发展和大规模应用都有潜在的重大意义。
因此，ITER 各参与方对 TBM 极为重视，都提 出了独立的 TBM 计划方案和实验计划。欧盟、日 本和俄罗斯于 1994 年开始进行 TBM 的设计与技术 研发工作。中国、美国和韩国是 ITER 计划的新参 与方。目前，新参与的三方也都提出要在 ITER 装 置上独立开展自己的 TBM 实验计划，并对实验窗 口及辅助系统的空间安排提出了各自的要求。 2.3 主要技术途径
第 26 卷 第 3 期 2006年 9 月
文章编号：0254-6086(2006)03-0161-09
核聚变与等离子体物理 Nuclear Fusion and Plasma Physics
ITER 实验包层计划综述
Vol.26, No.3 Sep. 2006
冯开明
（核工业西南物理研究院，成都 610041）
TBWG 的任务是在实验包层模块的方案选择、 设计与技术研发、国际合作、辅助系统的建立、实 验窗口和设备空间分配、实验计划安排等方面，协 调 各 方 立 场 。 经 过 协 商 ， 重 建 的 TBWG 要 求 ITER-TBM 各参与方必须在 2005 年底前提交实验
第3期
冯开明：ITER 实验包层计划综述
图 2 TBM 与 ITER 和聚变堆的关系
ITER 实验包层工作组（Test Blanket Working Group, TBWG）于 1994 年由原来的四方建立，在 ITER 计 划 的 过 渡 期 ITA （ ITER Transitional Arrangement，ITA）负责组织、协调 ITER 实验包 层模块 TBM 的研制与实验工作[3]。自 1995 年以来， TBWG 共举行了 17 次会议。其中，在 ITER EDA （Engineering Design Activity, EDA）阶段（1995～ 1998 年）举行了 6 次，在新 ITER 最终工程设计阶 段（1998～2001 年）举行了 4 次。中、美、韩加入 ITER 计划的谈判后，于 2003 年 10 月重组了 TBWG，六方共同参与 ITER 实验包层计划的工作。 前 10 次会议主要是在原 ITER 三方（欧、日、俄； 美国参加了部分会议）的基础上召开的；后 7 次会 议是现在的 ITER 谈判六方共同参与的。
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包层模块的设计描述文件（简称 DDD 报告）。 TBWG 主席 Gaincarli 已于 2005 年 10 月向 ITER 国 际组 IT 负责人提交了 TBM 的最终设计描述报告 （DDD）。
中国 ITER 计划有关方面确定了中国将独立发 展产氚实验包层的方针，并承诺按时向 TBWG 提 交 DDD 报告。2004 年 3 月在日本召开的 ITER 第 12 次 TBWG 国际会议上，中国正式提出将在 ITER 装置上独立发展陶瓷氚增殖剂和液态锂铅增殖剂 两种概念的产氚实验包层，并要求与其它国家共享 1/2 或 1/4 的 C、B 实验窗口位置[4],参加 ITER 运行 第一天起的 TBM 实验。
摘 要：简要介绍了 ITER 计划的发展历程；综述了 ITER 实验包层模块计划（ITER-TBM）的历史、主要技
术路线和最新的设计与研发进展；概述了与实验包层计划相关的 DEMO 聚变堆的定义与发展策略。最后，介绍了
国内开展的基于固体增殖剂概念的 ITER 实验包层的初步设计概况，对 TBM 的研发计划提出了建议。
（2）使用非感应驱动产生聚变功率大于 350MW、Q 大于 5、燃烧时间持续 3000s 的等离子 体，研究等离子体的稳态运行。
ITER 做为人类历史上的第一座实验聚变堆， 将为未来发展示范聚变堆 DEMO 和商用聚变堆进 行关键的工程技术实验，其主要工程技术目标是[2]：
（1）演示主要聚变技术的可用性和集成性； （2）为将来的聚变堆试验部件； （3）试验氚增殖模块（TBM）概念。 ITER 目标的实现将为研究和发展用于示范聚 变堆、商用聚变堆的各种技术奠定可靠的科学和技 术基础。经过 ITER 六方专家的技术评估和论证， 认为上述科学与工程技术目标是完全能够实现的。
模块设计、技术研发与实验方案。实验包层与 ITER 和 DEMO 聚变堆的关系如图 2 所示。
在 ITER 装置上设置了三个用于产氚实验包层 的窗口（称为实验窗口 A、B 和 C）。早期的 ITER TBM 被称为产氚实验包层模块，只在 ITER 的 D-T 运行阶段投入实验。后来改称为实验包层模块，期 望在 ITER 运行的第一天投入实验。在 ITER 的不 同运行阶段（H-H、D-D、D-T）安放不同的实验包 层模块，依次进行电磁、热工水力、氚增殖和整体 性能的实验。
2 实验包层模块计划
2.1 TBM 的发展历史 ITER 包层分为屏蔽包层和实验包层两种。其
中屏蔽包层主要用于装置的辐射防护，在已经完成 的 ITER-FEAT 设计中有较完善的包层设计和技术 研发。而实验包层模块（Test Blanket Moldule， TBM），主要用于对未来商用示范聚变堆（DEMO） 产氚和能量获取技术进行实验，同时用于对设计工 具、程序、数据等的验证和一定程度上对聚变堆材 料进行综合测试。实验包层由各参与方提出自己的
欧盟、日本和俄罗斯等三方已于 1994 年开始 进行各自的 ITER 实验包层模块设计，先后提出了 不同概念的 TBM 模块设计方案（共 4 种），已有比 较成熟的设计和关键技术预研基础。目前正在对已 有的 TBM 设计进行完善，特别是对辅助系统的布 置进行细化。
与 ITER 原三方的 TBM 设计方案相比，中、 韩、美参与 TBM 计划的时间较短，但都提出了自 己的 TBM 发展计划，开展了初步的 TBM 设计。美 国由通用原子公司（GA）牵头, 先后提出了锂铅双 冷和 FLiBe 熔盐两种概念的 TBM 包层计划和方案， 以及分享 A、B 实验窗口的要求，并积极着手发展 自己的 TBM 计划，有逐步赶上来的势头。在经过 仔细研究与技术论证后，美国最终放弃了 FLiBe 熔 盐概念的 TBM 包层方案。韩国目前还没有完善的 实验包层模块设计方案，希望在 ITER 的氘-氚运行 阶段投入自己的 TBM 模块实验。 2.2 发展 TBM 的重要性
ITER 是具有 500MW 聚变功率、可持续燃烧 500s 的、世界上第一个热核聚变实验堆。在热核聚 变环境下，它将为人类发展聚变能提供前所未有的 物理和工程实验平台。在其目标中，验证聚变燃料 氚增殖和自持技术，是建造 ITER 的最重要的工程 实验目标之一。
为了验证将来的示范堆（DEMO）和商用聚变 堆的一些关键工程技术（如氚的增殖技术、氚提取 技术、以及能量获取技术、材料综合性能等等）， 在 ITER 装置赤道平面位置上设计了三个实验包层 模块（TBM）窗口，分别进行不同设计概念和不同 实验目标的产氚包层模块实验，也为 ITER 各参与
ITER 装置的概貌如图 1 所示，基本设计参数 列于表 1 中。
图 1 ITER 装置示意图
收稿日期：2005-12-19；修订日期：2006-05-08 作者简介：冯开明（1952-），男，四川仁寿人，研究员，主要从事聚变堆理论与设计工作。