緊湊型聚變驅動次臨界堆概念設計的初步研究

1、 ASIPP緊湊型聚變驅動次臨界堆概念設計的初步研究陳美霞 吳斌等離子體物理研究所2007.8.10 ASIPP緊湊型聚變驅動次臨界堆概念提出發(fā)電成本計算模型 緊湊型聚變驅動次臨界堆的經(jīng)濟性分析 TSC程序對最優(yōu)化點進行放電模擬 主要內容 ASIPP 聚變能研究和發(fā)展的目標是設計制造可靠、安全、高效與環(huán)境相容性好的大規(guī)模商業(yè)聚變電站。發(fā)展聚變電站，除其要有高的安全性和好的環(huán)保性外，其經(jīng)濟性一直是概念設計與工程設計階段考慮的重要因素。目前評價聚變電站經(jīng)濟性好壞的指標通常是電站全壽期平準化發(fā)電成本（Levelized cost of electricity）,簡稱為發(fā)電成本（COE）。COE越低，

2、則表明其經(jīng)濟性越好，商業(yè)競爭力越強。對于磁約束聚變堆，COE的大小主要取決于聚變堆總建造成本（Total capital cost）、年固定費用率、年燃料成本、年運營與維護成本、年定期部件更換與更新成本、年研發(fā)成本、年退役成本、電站平均可用率與凈電功率等因素。通常情況下，COE作為聚變堆芯重量、尺寸大小、聚變堆規(guī)模（如小半徑、環(huán)徑比、拉長比、凈電功率）與年運行成本等的函數(shù)。在傳統(tǒng)的托卡馬克反應堆設計中，中心螺管的半徑是由對等離子體電流爬升所要求的伏秒數(shù)加上額外的磁通量來確定的。而結構緊湊的聚變驅動次臨界堆是一種新的概念設計，中心螺管(CS)尺寸較小，在穩(wěn)態(tài)時通過非自感來驅動等離子體電流，具有較

3、小的環(huán)徑比，可以獲得較大的拉長比和較高的比壓值。由于中心螺管尺寸較小，使得環(huán)向場線圈（TFC）也較小，從而可以減小反應堆的重量和結構成本。緊湊型聚變驅動次臨界堆概念提出 ASIPP 本節(jié)簡單介紹結構緊湊型聚變驅動次臨界堆的成本計算模型。其成本主要是指發(fā)電成本（COE）、總投資成本（TCC）、年運行成本三項。發(fā)電成本COE的單位通常采用美厘/千瓦時(mill/kW.h)。COE取決于電站總投資成本、年運行成本及固定費用率、物價浮動率、電站規(guī)模（如小半徑、環(huán)徑比、拉長比、凈電功率）與電站有效率因子等因素，本文中所使用的COE與這些因素的關系采用文獻 10中的模型為： COE=106CAC+(CF+

4、CO&M+ CSCR )(1+y)Y+CD&D+ CR&D/24 （1）式中：CAC為年投資成本，CACTCC FCR，M$；TCC為總建造成本,M$; FCR為年固定費用率（攤銷率）；CF為運行起始年的年燃料成本(Fueling)，M$； CO&M為運行起始年的年運營與維護成本(Operation and Maintenance)，M$；CSCR 為運行起始年的年定期部件更換與更新成本(Scheduled Component Replacement)，M$；CR&D為年開發(fā)便于小風險示范堆運行的信息與技術的時間與資源的投資（研發(fā)）成本（年研發(fā)費用）(Research and Developm

5、ent)，M$； CD&D為年凈化與退役成本（Decontamination and Decommissioning），M$；y為物價浮動率，%/a ；Y為訂貨至交貨周期，a；PE為電站輸出凈電功率，MW；pf為電站平均可用率又稱為電站有效率因子(levelized)plant capacity factor at maximum power)。其中，年凈化與退役成本與研發(fā)成本由下式確定： CjFCRjTDC (2)發(fā)電成本計算模型 ASIPP其中TDC為直接成本，jD&D、R&D。參照文獻14和公式（1）得COE模型為： (3)式中 、 、 、 分別為作為直接成本TDC的間接成本、年運營與維

6、護成本、年部件定期重置與更新成本、年燃料成本的份額； UDC=TDC/PE (4) 直接成本TDC可以分為5個子系統(tǒng)的成本與應急費用之和。這5個子系統(tǒng)的成本分別為：土地成本與電站建筑與設施成本SITE、堆體成本FPC（Fusion Power Core）、主熱交換系統(tǒng)成本PHT、輔助加熱系統(tǒng)、電源、配電系統(tǒng)與能量存儲系統(tǒng)成本HTG、電廠配套輔助系統(tǒng)成BOP（blance of plant）（等于發(fā)電（透平）廠設備成本（TPE）+電氣廠設備成本（EPE）+其他廠設備成本（MPE）。每個子系統(tǒng)的單位成本分別記為：UCSITE，美元/W；UCFPC，美元/kg；UCPHT，美元/W；UCHTG，美元

7、/W；UCBOP，美元/W。每個子系統(tǒng)的應急費用因子分別記為：CONTSITE、CONTFPC、CONTPHT、CONTHTG、CONTBOP。令 （5）其中j表示上述5個子系統(tǒng)，得UDC表達式： 發(fā)電成本計算模型 ASIPP發(fā)電成本計算模型其中： 為電站熱電轉化效率因子； 為輸入堆芯功率的轉化效率。式（6）QE與堆芯功率增益QP（QP等于聚變功率與進入堆芯輔助加熱功率之比）關系由下式確定： （7）其中 （8） MN是包層中能量增益因子， 為維持BOP的電功率占總電功率PET的份額。 TCC包括直接成本、間接成本和金融成本，其計算模型參考文獻3。年運行成本包括CF、CO&M、CR&D、CD&D

8、、CSCR等，其計算模型及模型中所用參數(shù)意義與數(shù)值同參考文獻3。結構緊湊的聚變驅動次臨界堆包層中采用的材料主要有：RAFM鋼、SiC、LiPb。（6）緊湊型聚變驅動次臨界堆的經(jīng)濟性分析 利用聚變系統(tǒng)分析軟件SYSCODE通過對聚變驅動次臨界堆FDS中心螺管尺寸進行依次減小，在大、小半徑分別不變情況下對其經(jīng)濟性進行了分析，分別找到最優(yōu)化的設計點。結構緊湊型聚變驅動次臨界堆在FDS-II堆大、小半徑分別不變情況下而得到的堆芯等離子體設計參數(shù)下表所示： ASIPP大半徑R=4m不變的經(jīng)濟性分析 小半徑與總建造成本的關系小半徑與聚變功率的關系小半徑與聚變發(fā)電成本的關系環(huán)徑比與聚變發(fā)電成本的關系 ASI

9、PP ASIPP小半徑a1m不變的經(jīng)濟性分析大半徑與聚變功率的關系 大半徑與總建造成本的關系 大半徑與中子壁負載的關系 大半徑與聚變發(fā)電成本的關系 ASIPP 由以上分析可以看出，對于大半徑R=4m不變的情況，系統(tǒng)分析表明小半徑在1.45m到1.50m之間電價最優(yōu)，最優(yōu)的COE為20.514mill/kw.h , 此時環(huán)徑比在2.76至2.67之間，聚變功率約160MW,中子壁負載約0.4MW/m-2。而對于小半徑a=1m不變的情況下，系統(tǒng)分析表明大半徑在4m時電價最優(yōu)，最優(yōu)的COE為21.794 mill/kw.h, 此時環(huán)徑比為4，聚變功率約為150MW, 中子壁負載約0.5MW/m-2。

10、由這兩種情況下的最優(yōu)電價可以看出前者的設計優(yōu)于后者，由此也可以看出低環(huán)徑比的優(yōu)越性。由此得出緊湊型聚變驅動次臨界的最優(yōu)設計點為前一設計點，在下一小節(jié)中我們將利用TSC程序對 該設計點進行數(shù)值模擬。小結：TSC程序對最優(yōu)化點進行放電模擬 TSC程序簡介 TSC(Tokamak Simulation Code)程序是PPPL開發(fā)的一個自由邊界軸對稱托卡馬克等離子體隨時間的演變以及和它相關控制系統(tǒng)的數(shù)值模擬程序，它通過在矩形計算網(wǎng)格上解磁流體方程組來模擬自由邊界等離子體隨時間的演變過程，MHD方程組通過邊界條件和外部極向場線圈中的電流相互耦合，同時在磁面坐標中求解壓強和密度面平均輸運方程。程序考慮了

11、反常輸運、新經(jīng)典輸運、輔助加熱、電流驅動、 自舉電流、 粒子加熱等許多物理模型，可以用于模擬控制系統(tǒng)、輔助加熱、電流驅動等問題。TSC已用于PBX、TFTR、DIIID等托卡馬克的放電模擬及BPX、KSTAR、ITER等裝置的設計工作，具有很高的可靠性。 ASIPP ASIPPTSC程序模擬結果及分析 基于以上的分析，我們利用TSC(Tokamak Simulation Code)以該最優(yōu)化點為基礎，對該緊湊型聚變驅動次臨界堆進行了放電模擬。圖9為等離子體電流隨時間的演化，可以看出等離子體電流在9秒內由最初的500KA穩(wěn)定線性上升到平頂6.25MA，然后維持平頂?shù)?1秒。同時等離子體大半徑由5

12、.13m移到4.0m然后逐漸穩(wěn)定下來；小半徑從0.37m逐漸增加到1.5m然后穩(wěn)定下來；拉長比從1.0逐漸增加到1.55，三角形變從0逐漸增加到0.45。模擬結果說明等離子體系統(tǒng)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定，結果對緊湊型巨變驅動次臨界堆的建堆有一定的參考價值，從而使得我們有信心進行更為深入的放電模擬研究。 等離子體電流隨時間的演化 ASIPPTSC程序模擬結果及分析等離子體大半徑、小半徑、拉長比、三角形變隨時間的演化 ASIPPTSC程序模擬結果及分析 ASIPP總結： 本文利用聚變系統(tǒng)分析軟件SYSCODE通過對該次臨界堆中心螺管尺寸進行依次減小，在大、小半徑分別不變情況下對其經(jīng)濟性進行了分析，分別找到最

13、優(yōu)化的設計點。對于大半徑R=4m不變的情況，系統(tǒng)分析表明小半徑在1.45m到1.50m之間電價最優(yōu)，最優(yōu)的COE為20.514mill/kw.h , 此時環(huán)徑比在2.76至2.67之間，聚變功率約160MW,中子壁負載約0.4MW/m-2。而對于小半徑a=1m不變的情況下，系統(tǒng)分析表明大半徑在4m時電價最優(yōu)，最優(yōu)的COE為21.794 mill/kw.h, 此時環(huán)徑比為4，聚變功率約為150MW, 中子壁負載約0.5MW/m-2。由這兩種情況下的最優(yōu)電價可以看出前者的設計優(yōu)于后者，由此也可以看出低環(huán)徑比的優(yōu)越性。同時利用TSC平衡演化程序對該設計點進行了等離子體平衡計算，并對等離子體電流、等離

14、子體大半徑、等離子體小半徑、等離子體拉長比、等離子體三角形變、等離子體約束時間等重要物理參數(shù)進行了數(shù)值模擬，結果表明了結構緊湊的聚變驅動次臨界堆具有經(jīng)濟優(yōu)勢且先進可行。參考文獻參考文獻：1 A Conceptual Study of Commercial Fusion Power Plants,Final Report of the European Fusion Power Plant Conceptual Study(PPCS), EFDA-RP-RE-5.0,April 13,20052 Summary ITER Final Design Report R.G A0 FDR 2 01-1

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16、ow Aspect Ratio Demo Rector,SlimCS, 21th IAEA Fusion Energy Conference,Chengdu,China,16-22,October 20068 S. Nishio, K. Ushigusa, Conceptual Design of Advanced Steady-State Tokamak Reactor, 18th IAEA Fusion Energy Conference, Sorrento, Italy, 4-10, October 20009 吳宜燦，柯嚴，鄭善良等. 聚變驅動次臨界堆概念設計研究, J,核科學與工程,

17、 2004,24(1):7280.10 黃德所, 吳宜燦，聚變電站中工程能量增益與質量功率密度對發(fā)電成本的影響.J 核科學與工程, 2004,24(2): 152-156.11 儲德林，吳斌，吳宜燦等，聚變驅動次臨界堆聚變堆芯參數(shù)設計與分析.J 核科學與工程, 2004,24(1): 81-86.12 Wu Bin. Introduction of fusion driven subcritical system plasma design,J. Fusion Engineering and Design, 2003,66-68:181-186.13 Chu Delin,Wu Bin, Wu Yican et al. Preliminary Analysi