次临界能源包层是聚变-裂变混合堆的重要部件，对其进行力学特性分析研究是确保整个反应堆正常运行的关键。本文利用有限元分析软件对次临界能源包层的第一壁结构、支撑固定结构的相关零部件开展了初步的力学分析，得到了各零部件相关结构的最大应力值、应力分布云图和变形分布云图，其中支撑结构的最大应力位于加强筋板与圆柱定位销的连接处，应力值为310.2 MPa；第一壁的最大应力位于“U”形流道拐角处，应力值为240.7 MPa；按相应的评价准则进行结构的强度和刚度校核，计算结果表明次临界能源包层各零部件能够满足计算工况下的强度和刚度要求。

为使磁约束聚变堆实现能量放大与氚自持,在其等离子体区周围设置次临界包层和产氚包层。采用天然铀合金燃料、轻水作冷却剂兼慢化剂,内嵌压力管式的次临界包层设计方案,通过对包层物理性能、结构概念设计、热工水力性能和安全分析,表明该方案可将聚变能量放大10倍以上,氚增殖比大于1.15,具有天然的临界安全性和良好余热安全性能。立足于近中期可利用的聚变技术,力争实现聚变能源的提前商用,为我国能源可持续发展提供一种有竞争力的技术选项。

基于国际热核聚变实验反应堆磁约束聚变-裂变混合能源系统次临界包层的物理-热工设计结果，提出了聚变-裂变混合堆次临界包层燃料区结构设计方案，包括纵骨支撑结构、燃料区结构和锆包壳结构。运用Pro/e建模软件建立了次临界包层燃料区结构模型，并利用ANSYS-workbench mechanical有限元分析软件对纵骨式支撑结构开展了初步力学分析，得到了燃料部件和纵骨式多层支撑结构的最大Tresca应力值、应力分布云图和总变形量，其中最大应力为87.04 MPa，最大变形量为0.17 mm。按照第3强度理论校核，计算结果表明纵骨式次临界包层结构各部件能够满足强度要求。

详细介绍了ITER驱动的次临界包层结构设计, 沿环向360°整个次临界包层被分成36瓣, 单瓣包层以等离子工作腔为分界面被分为内、外两部分, 分别由第一壁结构、支承结构、燃料区结构、产氚区结构和锆包壳结构等组成。有别于ITER装置现有的小模块包层结构, 单瓣内、外包层被设计成一种整体式内置结构, 从而减少了裂变燃料区中大量内嵌冷却剂压力管道接头数量、缩短了换料周期并节约了成本。同时考虑到ITER装置本体结构空间对次临界包层的限制, 提出了一种既能满足包层热工-流体要求又能实现包层工程焊接安装的管道汇总结构。最后运用Pro/e建模软件建立了包层三维CAD结构图, 为后续结构力学分析输出了有限元计算模型。

磁体支撑结构是国际热核聚变实验反应堆(ITER)的重要部件, 对其进行力学特性分析研究是确保整个反应堆正常运行的关键。通过对磁体支撑结构各工况下的强度、刚度的数值分析, 给出了磁体支撑结构对应工况下各零部件的应力分布及变形量；分析结果表明磁体支撑结构各零部件的最大应力值均小于许用应力, 满足强度要求, 各零部件变形合理, 不会出现脱开失稳现象。通过数值分析, 为国际热核反应堆磁体支撑结构提供了理论设计数据, 提升了磁体支撑结构的安全性和可靠性。

为了验证国际热核聚变堆(ITER)的产氚和能量获取等性能, 各国分别提出了不同的实验增殖模块(TBM)设计方案。其总体功能相同, 但具体技术路线有区别, 不同之处包括冷却剂选择、产氚材料选择、中子倍增剂选择、产氚区布置形式、面向等离子体材料选择、结构材料选择等方面。通过对各TBM方案进行比较分析, 评价了各自的优缺点, 提出了未来先进产氚包层方案的设计建议。

基于MCNP程序对300#研究堆首炉堆芯进行精细建模，通过并行计算方式得到了实验临界棒位下堆芯的有效增殖因数为1.002 29，与临界值之间的相对误差为0.229%，验证了物理模型的正确性。探讨并解决了并行计算的中断与接续问题，提出了体通量计数与点探测器计数应用中的合理化建议，即对大体积空间计数时尽量使用体通量计数。计算值与实验值对比结果表明: 两者在3 MW功率水平下热中子通量密度相差4.6％，符合得较好。