GDT聚变中子源氚燃料循环初步设计与分析

孙新宇，王海霞，曾秋孙，贾江涛，魏世平，蒋洁琼

(1.中国科学院核能安全技术研究所 中子输运理论与辐射安全重点实验室，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230031)

GDT(Gas Dynamic Trap)是一种由中性束驱动的轴对称线性磁镜装置，具有等离子体易实现稳态运行、结构简单紧凑、技术实现难度较低、易升级与维护、氚消耗量低等特点[1-4]。目前，中国科学院核能安全技术研究所(INEST，CAS)和俄罗斯科学院布德科尔核物理研究所(BINP，RAS)正在联合研发基于GDT概念的稳态氘氚聚变体积中子源，其建成后可作为聚变结构材料或部件的测试平台，也可用于研究核废料的嬗变处理、次临界堆的控制[3-5]。目前已完成GDT聚变中子源(GDT—FNS，GDT-based fusion neutron source)主体装置的初步概念设计。

氚作为GDT聚变中子源的燃料之一，在自然界中的含量极少[6]，目前人们使用的氚都来于人工生产，价格十分昂贵(约30000$/gT)。氚燃料在真空室内的燃烧份额很低，建立安全而高效的闭式氚燃料循环(TFC，Tritium Fuel Cycle)系统，一方面可以降低燃料的成本，提高氚燃料的经济性，另一方面也保障了装置的安全运行[7]，保证了工作人员及周边居民的安全性，是GDT聚变中子源的研发路线中的重要一环。

本文首先分析GDT装置在氚燃料循环方面的特点，然后参考最新的国际热核实验堆ITER[8-10]与聚变示范电站DEMO[11,12]的设计，完成氚燃料循环方案的初步概念设计。结合平均滞留时间模型[13]，利用氚分析程序[14,15]，从氚燃料成本的角度(包括氚在系统内的盘存量以及最小初始投料量等)出发，对方案的经济性进行初步分析，旨在为该装置氚燃料循环方案的选取以及日后的实际工程应用阶段提供一定的参考。……