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1總體結構

以等離子工作腔為分界面，次臨界包層被分為內包層和外包層兩部分［9］，考慮能在ITER裝置上實現包層便利地安裝拆卸，在總體結構上，次臨界包層在環向360°被設計成36瓣。單瓣包層分別由第一壁（FirstWall，簡稱FW）結構、支承結構、燃料區結構、產氚區結構、鋯包殼結構和出入口匯管結構等組成，環向張角為10°，徑向厚度為0．47m，極向高度為10．24m，在三維空間上呈“D”字型結構，如圖1所示。

2第一壁結構

第一壁結構是次臨界包層的重要功能部件，它需要承受熱載荷、14MeV高能中子和帶電粒子輻照的同時作用。為了提高第一壁材料抗輻照損傷的能力，選用低活化鐵素體／馬氏體（RAFM）F82H鋼材料。第一壁結構如圖2所示，在第一壁的上下端及中間部位設計有燕尾結構，其目的是使第一壁與燃料區一側的鋯包殼相互嵌合以固定第一壁，第一壁徑向厚度為10mm，內外包層面向等離子體面積分別為7．55m2和13．89m2，結構體積為0．21m3，質量為1．69t。

3支承結構

支承結構由極向縱骨、加強筋板、周向筋骨、徑向筋骨等結構組成。經分析，次臨界包層結構在運行工況下受力復雜，共需承受重力、系統壓力和熱應力三種主要外載荷，單瓣包層重量約30t，系統壓力是燃料區內嵌冷卻劑管道所承受的15．5MPa水壓，熱應力為燃料區中大量U－10Zr合金的裂變釋能而產生的沿極向和徑向的溫度梯度分布。為了實現對整個內外包層在極向的結構支承，在內外包層中分別設計有4根極向縱骨，縱骨在內外包層截面中的設計位置示意如圖3所示。在周向和徑向設計加強筋板、周向筋骨、徑向筋骨以提高包層的穩定性以及整個支承結構的剛性。支承結構是由具有優良抗彎和抗壓性能的SS316L（00Cr17Ni14Mo2）不銹鋼通過焊接加工制成，它是整個包層的支承和固定結構［10］。以內包層為例。

4燃料區結構

燃料區結構由裂變燃料U－10Zr合金、內嵌冷卻劑壓力管和支承結構中的加強筋板及部分徑向筋骨組成［11］。4．1燃料區燃料區是組成次臨界包層活性區的基本結構單元，其主要功能是實現中子倍增和通過核反應而產生大量裂變能，它是包層的主要釋熱部件。燃料采用U－10Zr合金，這主要是由于U－10Zr合金燃料鈾密度高，Zr對中子吸收少，實現能量輸出與放大性能好；二是合金燃料導熱系數大，利用內嵌冷卻劑壓力管能夠及時地帶走活性區核熱；三是合金燃料可以更容易地進行“簡單干法”后處理，可把燃料加熱到1700℃左右，達到沸點的裂變碎片便可去除燃料區。加強筋板和部分徑向筋骨承擔作用在燃料區的外載荷并把這些載荷傳遞到支承結構上，同時加強筋板還兼顧對內嵌冷卻劑壓力管的定位與導向作用。4．2內嵌冷卻劑壓力管燃料區中6層內嵌冷卻劑壓力管道被設計成由底至頂完全貫通的結構，且按照三角形交錯排列。由于受ITER裝置本體結構空間的約束，內外包層隨著極向位置的變化而引起了管間距離和鈾－水體積比變化。外包層6層冷卻劑管道按48根與47根相間排布，共有285根，內包層6層冷卻管道按32根與31根相間排布，共有189根。

5產氚區結構

產氚區是整個聚變－裂變混合能源系統實現氚自持的關鍵功能結構，產氚區結構由氚增殖劑小球區、慢化冷卻水管、管間連接板、“蛇形”氦氣回路和支承結構中部分徑向筋骨組成［12］。產氚區中的慢化冷卻劑管道和氚增殖劑小球區在空間上是互相獨立的單元。在結構上，為了保證燃料區中富余的中子進入產氚區后進一步被慢化再與鋰－6反應而生產氚，并及時帶走一部分多余的核熱，產氚區中慢化冷卻管道被設計成由底至頂完全貫通的結構，由慢化冷卻管和管間連接板把產氚區分成9層，各層之間的空間便構成了氚增殖劑小球填充區。為了形成“蛇形”氦氣回路，管間連接板的高度不等，形成高低錯位設計以便控制氦氣流動方向，部分徑向筋骨承擔作用在產氚區外載荷和傳遞來自燃料區的外載荷到支承結構上。同樣，由于受ITER裝置本體結構空間的約束，內外包層隨著極向位置的變化而引起了慢化冷卻層和氚增殖劑厚度的相應變化。

6鋯包殼結構

鋯包殼是核燃料裂變產物的主要屏障，燃料區和產氚區均有鋯包殼完全包覆，從而防止裂變產物泄漏到活性區或整個包層，燃料區和產氚區的鋯包殼為一種箱匣式密封結構。對于燃料區鋯包殼，由于在第一壁的上下端及中間部位設計有燕尾結構（圖2），相應地在燃料區徑向內側的鋯包殼上設計有對應的燕尾槽，如圖7所示。為了保證鋯包殼的結構密封，在燃料區徑向內側鋯包殼的周向側設計有金屬型擠壓密封卡槽，如圖8所示。從圖3可以看出，有2根極向縱骨設計在燃料區和產氚區包殼層頂角部位，相應地在燃料區徑向外側鋯包殼頂角處設計有極向縱骨半槽。對于產氚區鋯包殼，由于有2根極向縱骨設計在燃料區和產氚區包殼層頂角部位（圖3），相應地在產氚區徑向內側鋯包殼頂角處設計有極向縱骨的另一半槽。同時由支承結構可以看出，在周向兩側和徑向外側設計有徑向和周向筋骨，相應地在產氚區周向兩側和徑向外側的鋯包殼上設計有筋骨貫穿槽。

7出入口匯管結構

由于受ITER裝置本體結構空間的約束［13－14］，次臨界包層的出入口匯管只能在有限空間中實現各類功能管道的匯總，其中包括燃料區中的大量內嵌冷卻劑壓力管、產氚區中慢化冷卻水管和氦氣管。考慮大量冷卻劑壓力管與匯總管之間焊接的可操作性，在燃料區的上下端部先設計一個焊接頂蓋。燃料區的內嵌冷卻劑壓力管先匯入上下環形總管中，該匯總管再與ITER上下端口出入口總管相接并引出到外面的主回路系統。在產氚區中，慢化冷卻管和氚載帶管均采用“蛇形”流氣結構設計，這樣9層慢化冷卻管只需要匯總一次后連接慢化冷卻總管，再經ITER上下端口出入口總管引出到外面的氚回路系統。對于氚載帶管，先在產氚區上下端設計有出氣和進氣槽，然后再通過氚載帶管把進出氣槽的載帶氣體引入到氚載帶氣總管內，再經ITER上下端口出入口總管引出到外面的氚回路系統，以出口為例燃料區和產氚區匯管結構如圖11所示。

8結論

由于ITER裝置上現有的屏蔽包層模塊和產氚包層模塊均是采用小模塊結構，數量多達421塊，裝拆工作量大而且支撐結構方案無法直接移植借用，所以本文提出了整體式內置次臨界包層支承結構，這樣可以使包層裂變燃料區冷卻劑管道設計得到很大的簡化，降低包層結構的復雜性、縮短換料周期、提高工作效率和節約成本。考慮到ITER裝置本體結構空間對次臨界包層的約束限制，提出了一種可行的次臨界包層裂變燃料區冷卻劑管道、產氚區H2O慢化劑管道和氦氣載帶等功能管道的出入口匯管結構，這樣既不會和ITER裝置的上端口和下端口發生沖突，又能滿足包層的熱工流體和焊接安裝的可操作性要求。針對包層結構本體的各個組成部件，結合現有的工藝和技術條件［15］，開展了次臨界包層總體結構概念設計，這為后續的包層力學性能分析輸出了有限計算模型。

作者：曾和榮黃洪文劉志勇李正宏錢達志梁尚明郭海兵馬紀敏王少華宋娟單位：中國工程物理研究院核物理與化學研究所四川大學制造科學與工程學院