利用快-热耦合混合能谱实现长期能量放大的混合堆包层

摘要

利用快-热耦合混合能谱实现长期能量放大的混合堆包层，包括一个第一壁、一个快裂变区、一个非裂变中子倍增区、一个热裂变区、一个氚增殖区，其结构由内到外的次序为第一壁、快裂变区、非裂变中子倍增区、热裂变区和氚增殖区；所述包层采用氦气环向流动、逐级冷却的方式，氦气从第一壁侧壁管道进入包层，在冷却了第一壁后通过包层侧壁横向进入快中子裂变区，冷却快中子裂变区之后从所述包层的另一侧进入非裂变中子增殖区和热裂变区后进入第一壁侧壁管道流出；氚增殖区的液态锂铅从包层上部进入，下部流出，依靠自身的流动将热量和产生的氚带出。本发明能够实现长期的能量放大，较高的发电效率和较好的安全性。

说明书

技术领域

本发明属于聚变裂变混合堆的包层设计领域，具体涉及一种利用快-热耦合混合能谱方式 实现长期能量放大的混合堆包层。

技术背景

聚变裂变混合堆的原理是利用聚变堆芯氘氚反应产生的高能中子来驱动裂变包层中的 核材料引发裂变反应，利用裂变反应产生的能量来发电。包层运行在次临界状态，具有固有 安全性。另外，与常规的裂变反应堆相比，聚变裂变混合堆可以降低对裂变核燃料品质的要 求，可以利用目前裂变堆不能直接利用的贫铀、乏燃料和钍等，不会与普通核裂变堆争夺核 资源，而且还可以通过高能聚变中子的作用嬗变处理裂变堆产生的长寿命核素。

聚变裂变混合堆包层具有中子增殖和能量放大的功能，可以利用较小的聚变功率获得较 大的能量输出，可以将聚变中子功率放大几十到上百倍，因此对聚变堆芯的要求可以大大降 低。目前国际上的研究表明基于现有托卡马克实验装置参数适量外推的等离子体物理和技术 既能满足混合堆的运行要求。而且随着国际热核实验堆ITER项目的顺利启动，具有几百兆 瓦聚变功率的聚变中子源将会得以实现，这样就为早日利用聚变能提过了有效途径，同时也 为推动永久清洁能源-纯聚变能商用化技术发展积累技术基础。

聚变裂变混合堆的研究最早开始于1954年，上世纪70年代得到大规模研究，上世纪80 年代后期，美苏出于核不扩散的考虑，提出停止研究聚变裂变混合堆。1998年后，国际上又 重新重视对聚变裂变混合堆的研究，主要的研究活动集中于美国、日本和土耳其。如果日本 大阪大学设计的热裂变包层方案和东京大学设计的易裂变钚平衡的快裂变包层，美国TSI Research incorporation近期提出的基于快裂变包层的发电堆方案设计，美国普林斯顿等离子 体实验室设计的热裂变熔盐包层，西屋公司设计的高功率密度商业托卡马克次临界包层以及 土耳其Teknoloji大学设计的基于ARIES-RS的聚变裂变混合堆。我国在聚变裂变混合堆方面 的研究起始于1980年，主要在中科院等离子体物理研究所(ASIPP)，核工业西南物理研究 院(SWIP)、原子能研究院(CIAE)以及中国工程物理研究院(CAEP)进行概念设计，重 点开展核燃料增殖和核废料嬗变方面的研究。在“863”计划的支持下，以ASIPP和SWIP 为主的科研人员设计了以增殖核燃料为目标的实验混合堆TETB，TETB-II，商用混合堆TCB 等一系列概念设计和改进条件。后来相继有实际了实验型增殖混合堆设计(FEB)和FEB-E。 “863”计划结束后，国内主要进行了聚变裂变混合核废料嬗变堆概念的研究，期间主要的 工作是由中国科学院等离子体物理研究所先进核能研究团队提出了氦气和LiPb双冷快裂变 包层概念(FDS-I)。

从近期的国际聚变裂变混合堆研究趋势上可以看出，基于较为容易实现的等离子体堆芯 技术和成熟的裂变电站技术发展聚变驱动次临界堆已经成为新的研究热点和发展趋势。为了 早日实现聚变能的应用，选用低聚变功率的堆芯作为次临界包层的驱动器更具现实可行性， 但次临界包层设计时却面临着以下几个方面的关键问题：

(1)为了达到规模发电的目标，低聚变功率堆芯必然要求包层有较大的能量放大能力， 完全利用可裂变材料(如U238)的快中子裂变产生能量的包层，其能量放大倍数不高，产 生的总热量有限，不适合规模发电；

(2)利用易裂变燃料的快中子裂变(如U235、PU239)可达到较高的能量放大倍数， 但包层局部功率密度过高，会导致传热困难和热工安全问题；

(3)利用易裂变燃料的热中子裂变可以达到较高的能量放大倍数，但需要的易裂变燃 料的初装量过高，不利于反应堆的规模化发展；

(4)易裂变燃料非平衡设计会使得包层内有效中子倍增因子发生较大变化，由于次临 界包层内不能放置控制反应性变化的控制棒，如果反应性增加则有可能使得包层达到临界， 而反应性下降的设计则会使得包层的能量放大能力不足；频繁更换包层会影响反应堆的可用 率和经济性，也会对燃料的后处理带来较大的负担；

(5)为提高混合堆发电效率，需要尽量提高冷却剂的出口温度，而如何在提高出口温 度的前提下满足结构材料和燃料元件温度不超过安全限制，需要优化冷却剂的流动方式。

目前的聚变堆包层设计中主要是利用单独快中子裂变或热中子裂变的方式产生能量，对 初装料的要求过高，且不易达到长期的能量输出。传热方式也主要是利用氦气冷却第一壁后 直接进入氦气联箱，氦气温度低，发电效率不高。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种利用快-热耦合混合能谱实现 长期能量放大的聚变堆包层，该包层不但能够解决单能谱包层面临的易裂变燃料初装量过高 或能量放大不足的缺点，实现较为稳定的长期的能量放大，而且能够利用氦气的环向流动、 逐级冷却的方式获得较高的发电效率和较好的安全性。

本发明的技术解决方案：利用快-热耦合混合能谱实现长期能量放大的聚变堆包层，其 特征在于包括：一个第一壁1、一个快裂变区2、一个非裂变中子倍增区3、一个热裂变区4、 一个氚增殖区5，其结构由内到外的次序为第一壁1、快裂变区2、非裂变中子倍增区3、热 裂变区4和氚增殖区5；所述包层采用氦气环向流动、逐级冷却的方式，氦气从第一壁侧壁 管道进入混合包层，在冷却了第一壁1后通过包层侧壁横向进入快中子裂变区2，冷却快中 子裂变区2之后从所述包层的另一侧进入非裂变中子增殖区3和热裂变区4后进入第一壁侧 壁管道流出，氚增殖区5的液态锂铅从包层上部进入，下部流出，依靠自身的流动将热量和 产生的氚带出。

所述快裂变区2采用压水堆乏燃料或贫铀，中子能谱为快谱，利用14MeV高能聚变中 子提高乏燃料或贫铀的裂变率，提高中子产额。

所述非裂变中子倍增区3采用铍或铅，用来增殖和慢化中子，提高进入热裂变区的中子 通量。

所述热裂变区4采用铀钚混合氧化物燃料(MOX)，中子能谱为热谱，MOX中易裂变Pu 的比例为9-12％，通过吸收中子发生裂变反应产生热量和生产易裂变燃料，易裂变Pu产生 和消耗可实现基本平衡。

所述氚增殖区5采用液态锂铅共晶体(Pb₈₃Li₁₇)，锂铅在包层内缓慢流动，实现自冷并 将产生的氚携带出包层，用于氚提取和循环。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在靠近聚变堆芯等离子体的外围放置可裂变燃料来发生快中子裂变反应， 可裂变材料可以采用贫铀或者乏燃料，在可裂变燃料区域外围放置非裂变的中子倍增剂以增 殖快裂变中子并使中子得到慢化，非裂变中子倍增剂可采用铍或铅，在非裂变中子倍增剂外 围放置乏燃料以产生能量和增殖核燃料，最后在乏燃料区域外围放置液态锂铅以增殖氚。这 种通过快-热耦合的方式解决利用低聚变功率堆芯规模发电对包层中易裂变核素初装料量要 求过高的问题，解决单一利用快裂变包层发电所带来的局部功率密度过高以及燃料不易平衡 的问题，利用氦气环向流动、逐级冷却的方式使各区之间温度平衡，有利于提高冷却剂出口 温度，避免极向流动导致的包层温度不均匀，以及局部温度过高的缺点。

(2)发明包层采用氦气环向流动、逐级冷却的方式，低温氦气在冷却了第一壁后通过 第一壁侧壁联箱横向进入高热功率密度的快中子裂变区，冷却快中子裂变区之后从包层的另 一侧进入非裂变中子增殖区和热裂变区，该设计的主要目的是使各区之间温度平衡，有利于 提高冷却剂出口温度，提高发电效率，避免极向流动导致的包层温度不均匀，流动阻力过大， 以及局部温度过高的缺点。利用创新的环向流动、逐级冷却的方式解决高功率密度包层传热 问题，利于包层的结构安全。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中：1第一壁，2快中子裂变区，3非裂变中子增殖区，4热裂变区，5氚增殖区。

具体实施方式

聚变堆的包层主要由结构材料(低活化钢)和功能材料组成(裂变材料、中子倍增材料、 氚增殖材料等)，结构材料在包层的外围，将功能材料包容起来，避免功能材料区的放射性 释放出来。面向等离子体区的结构材料被称为第一壁1，如图1所示。本发明利用快-热耦合 混合能谱实现长期能量放大的聚变堆包层，包括：一个第一壁1、一个快裂变区2、一个非 裂变中子倍增区3、一个热裂变区4、一个氚增殖区5，其结构由内到外的次序为冷却第一壁 1、快裂变区2、非裂变中子倍增区3、热裂变区4和氚增殖区5。其中第一壁1采用低活化 钢作为结构材料，中间设置有氦气流道，利用氦气冷却。快裂变区2采用乏燃料或贫铀，中 子能谱为快谱，利用14MeV高能聚变中子提高乏燃料或贫铀的裂变率，提高中子产额。非 裂变中子倍增区3采用铍或铅，用来增殖和慢化中子，提高进入热裂变区的中子通量。热裂 变区4采用乏燃料，中子能谱为热谱，乏燃料通过吸收中子发生裂变反应产生热量和生产易 裂变燃料。氚增殖区5采用液态锂铅，锂铅在包层内缓慢流动，实现自冷并将产生的氚携带 出包层，用于氚提取和循环。

如图1所示，本发明具体实现如下：

(1)采用快-热耦合的裂变方式，即在靠近等离子体的快裂变区2充分利用高能聚变中 子与可裂变核燃料的快中子裂变反应，对聚变中子进行数量放大。快裂变区2后面放置非裂 变中子倍增区3用于增殖快裂变中子，同时对快裂变中子进行慢化。热裂变区4采用热裂变 方式用于产生能量和增殖易裂变燃料，热裂变区4为氚增殖区用于生产氚以维持聚变堆芯的 燃料供应。

(2)快裂变区2采用贫铀或经过裂变产物提取后的轻水堆乏燃料(含铀以及超铀元素) 作为裂变燃料，U-238吸收一个聚变中子引发的快裂变可以释放出4.5个裂变中子，可以大 大提高中子通量，同时通过铀-238的裂变产生能量；氦气用作冷却剂，有利于快中子的利用， 具有良好的化学稳定性和相容性。

(3)非裂变中子增殖区3采用铍或铅增殖中子，提高进入热裂变区4的中子通量，同 时慢化中子，提高热裂变区4材料的裂变率。热裂变区4采用经过处理的压水堆乏料(含钚 和铀组成的混合燃料)，通过调整燃料的比例(即裂变燃料中含有9-12％左右的易裂变压水 堆乏料Pu，其余重金属为压水堆乏料铀)，使得热裂变包层中的易裂变钚的产生率和裂变率 平衡，以保持系统的长期(如超过10年)稳定运行。

(4)包层第一壁1结构及主要的裂变区采用氦气环向流动、逐级冷却的方式。低温氦 气在冷却了第一壁1后通过第一壁侧壁联箱横向进入高热功率密度的快中子裂变区2，冷却 快中子裂变区2之后从包层的另一侧进入非裂变中子增殖区3和热裂变区4。氦气的流动路 线见图示的箭头表示，使得各区之间温度平衡，有利于提高冷却剂出口温度，提高发电效率， 避免极向流动导致的包层温度不均匀，流动阻力过大，以及局部温度过高的缺点。

(5)氚增殖区5使用液态锂铅共晶体，液态锂铅吸收中子后产生氚并产生能量。液态 锂铅依靠自身的缓慢流动将热量和氚带出，在反应堆外部进行氚提取，有利于提高氚产生率 和提取效率。