聚变示范堆EU DEMO是欧洲各国在ITER基础上提出的一种用于理论验证和工程探索的核聚变装置,用来评估聚变堆的经济可行性和技术可行性,也是核聚变正式商业运行前的最后一步。在聚变示范堆中,包层是维持聚变堆氚自持的重要部件,同时还承担着聚变示范堆能量提取和转换、屏蔽辐射等重要功能。因此,包层合理的设计方案和材料选择对于聚变示范堆的安全性和经济性非常重要。目前EU DEMO有4种潜在的包层方案,即氦冷球床包层(HCPB)、氦冷锂铅包层(HCLL)、水冷锂铅包层(WCLL)和双冷锂铅包层(DCLL)。除WCLL冷却剂是水外,其他3种包层的冷却剂都包含氦气。氦气密度较小,需要消耗的风机功率较高,因此会降低DEMO的热电转换效率。自从上世纪50年代二氧化碳已经作为镁诺克斯反应堆和先进气冷堆的冷却剂,成功应用于核裂变反应堆超过60年时间。二氧化碳的密度是氦气的11倍,需要的风机功率会明显少于氦气,从而提高DEMO热电转换效率和净发电功率。同时高密度的二氧化碳还可以减少存储罐的体积,且二氧化碳价格低廉极易获取,从而减少成本。因此本文首先考察了包层以氦气和二氧化碳分别作为冷却剂时对聚变示范堆发电效率的对比分析。首先,给出了聚变示范堆综合整体系统BoP的设计方案,包括主热传输系统PHTS、储热换热系统IHTS和能量转换系统PCS三大子系统。然后,分别以氦气和二氧化碳作为PHTS主热传输系统冷却剂对聚变示范堆的发电效率进行比较分析。在相同的条件下,由于二氧化碳消耗掉的风机功率较低,从而使净发电功率大于氦气。最后,对主热传输系统PHTS不同冷却剂出口温度以及能量转换系统PCS不同水蒸气压力对系统效率的影响进行了影响分析研究。提高CCPB包层的出口温度可以提高DEMO的发电效率,但是同时提高入口温度和出口温度不能提高发电效率;当CCPB包层的出口温度为600℃时,适当提高PCS中汽轮机入口处的蒸汽压力,有助于提高DEMO发电效率;当CCPB包层中压降提高1.5倍时,二氧化碳的效率仍然会高于氦气。在堆发电效率分析的基础上,进一步提出了新的EU DEMO包层概念---二氧化碳冷却球床包层(CCPB)。CCPB包层设计采用的参数与HCPB参数基本一致,冷却剂入口温度和出口温度分别是300℃和500℃,压力为8MPa。包层中结构材料为RAFM钢(EUROFER97),氚增殖材料为Li4SiO4,中子倍增材料为Be12Ti。面向等离子体的第一壁保护材料为钨。第一壁(FW)是增殖包层中直接面对等离子体的部件,需要承受来自等离子体的热流、高能粒子流等载荷。本文首先对CCPB固态包层第一壁热工水力性能进行分析与评估。由于EU DEMO中,第6号内包层第一壁承受最大的粒子热流密度,第15号外包层第一壁承受最大的辐射热流密度,因此本文对第6号内包层、第15号外包层以及典型包层(赤道面第12号)的第一壁分别进行了独立的热工水力分析,考虑实际包层第一壁冷却剂流道的粗糙度,给出了不同位置、不同壁面粗糙度热工水力分析结果。并对第6号和第15号包层第一壁开展了热流密度敏感性分析,当第6号包层第一壁承受的总热流密度增大到1.6 MW/m2时,其第一壁压降为3 bar,低于压降限值3.7 bar。对于第15号包层,即使总热流密度增大到1.2 MW/m2,第一壁需要的质量流量为0.48 kg/s,产生的压降为3.4 bar,仍低于压降限值3.7 bar。在分析第一壁的基础上,本文对CCPB赤道面典型包层增殖区进行了热工水力分析,并对增殖区进行了优化,优化主要考虑了增殖区中Pin的数量和尺寸,以及添加石墨圆柱棒,从而降低增殖区的温度,增殖区包层最终采用12个Pin设计,Pin的尺寸增大到86 mm,最终使增殖区内的增殖材料和结构材料温度基本上低于其限值。第一壁最高温度512.5℃出现在第一壁弯段处,而Pin-cladding直接受到增殖区中冷却剂影响,最高温度为513.1℃,二者均低于材料温度限值550℃。由于添加了直径为70 mm的石墨棒,Be12Ti球床最高温度降低到895.9℃,低于材料温度限值920℃。而Li4SiO4球床最高温度为917.6℃,低于限值900℃,同时,Li4SiO4球床的核热密度随着径向距离逐渐减小,Li4SiO4球床温度会随着降低。最后本文对包层的后背板系统进行了热分析,给出了联箱区域的温度云图。本文所开展的研究为聚变堆热电转换效率分析以及包层设计优化提供重要参考。