A thermal-hydraulic and structural design of the first wall and blanket for the 18 MW/m2 neutron wall-loading TITAN reversed-field-pinch fusion reactor is presented. The primary coolant is liquid lithium and the structural material is the vanadium alloy, V-3Ti-1Si. Various design limits, which take the operational environment into consideration, for this vanadium alloy for the first wall and blanket are discussed. The first wall is made of small-diameter tubes. The blanket coolant channels are a combination of tubular, square, and rectangular channels. The first-wall and blanket coolant circuits are separate, allowing different coolant exit temperatures. The coolant channels are aligned with the larger poloidal magnetic field to reduce magnetohydrodynamic (MHD) pressure drops. At the design heat flux of 4.6 MW/m2 on the first wall, MHD turbulent-flow heat transfer is used. Both the separation of the coolant circuits and the use of MHD turbulent-flow heat transfer substantially increase the heat flux limit on the first wall. These are favorable for high-power-density fusion reactors. The inlet temperature of lithium is 320 °C and the exit temperatures are 440 °C and 700 °C for the first wall and blanket, respectively. The pressure drop in the first wall circuit is 10 MPa and is less than 3 MPa for the blanket circuit. The pumping power is less than 5% of electric output. The maximum structure temperature is less than 750 °C and the material stresses are shown to be within the allowable limits. One-dimensional thermal and stress analyses are adequate for the thermal-hydraulic and structural design for TITAN-I. This is verified by two-dimensional, finite element analysis. The use of liquid lithium as the coolant and vanadium alloy as the structural material enables the removal of the reactor thermal energy at high temperature, which has resulted in a gross thermal efficiency of 44%.
熱水力および構造設計について、18 MW/m2の中性子壁負荷を有するTITAN逆転磁場ピンチ核融合炉の第一壁およびブランケットの設計を提示する。一次冷却材は液体リチウムであり、構造材料はバナジウム合金V-3Ti-1Siである。このバナジウム合金について、運転環境を考慮した各種設計限界を議論する。第一壁は小径管で構成される。ブランケットの冷却チャネルは、管状、正方形、長方形のチャネルを組み合わせたものである。第一壁とブランケットの冷却回路は分離されており、異なる出口温度を可能にしている。冷却チャネルは、より大きなポロイダル磁場に沿って配置され、磁気流体力学(MHD)圧力損失を低減する。第一壁の設計熱流束4.6 MW/m2において、MHD乱流熱伝達が用いられる。冷却回路の分離とMHD乱流熱伝達の使用の両方により、第一壁の熱流束限界が大幅に増加する。これらは高電力密度核融合炉にとって有利である。リチウムの入口温度は320 °Cであり、第一壁およびブランケットの出口温度はそれぞれ440 °Cおよび700 °Cである。第一壁回路の圧力損失は10 MPaであり、ブランケット回路では3 MPa未満である。ポンプ動力は電気出力の5%未満である。最高構造温度は750 °C未満であり、材料応力は許容限界内であることが示されている。一次元の熱および応力解析は、TITAN-Iの熱水力および構造設計に十分である。これは二次元有限要素解析によって検証されている。液体リチウムを冷却材として、バナジウム合金を構造材料として使用することで、高温での炉心熱エネルギーの除去が可能となり、その結果、総合熱効率は44%に達する。