專利名稱:利用快-熱耦合混合能譜實現(xiàn)長期能量放大的混合堆包層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚變裂變混合堆的包層設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種利用快-熱耦合混合能譜方式實現(xiàn)長期能量放大的混合堆包層。
技術(shù)背景
聚變裂變混合堆的原理是利用聚變堆芯氘氚反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子來驅(qū)動裂變包層中的核材料引發(fā)裂變反應(yīng)，利用裂變反應(yīng)產(chǎn)生的能量來發(fā)電。包層運行在次臨界狀態(tài)，具有固有安全性。另外，與常規(guī)的裂變反應(yīng)堆相比，聚變裂變混合堆可以降低對裂變核燃料品質(zhì)的要求，可以利用目前裂變堆不能直接利用的貧鈾、乏燃料和釷等，不會與普通核裂變堆爭奪核資源，而且還可以通過高能聚變中子的作用嬗變處理裂變堆產(chǎn)生的長壽命核素。
聚變裂變混合堆包層具有中子增殖和能量放大的功能，可以利用較小的聚變功率獲得較大的能量輸出，可以將聚變中子功率放大幾十到上百倍，因此對聚變堆芯的要求可以大大降低。目前國際上的研究表明基于現(xiàn)有托卡馬克實驗裝置參數(shù)適量外推的等離子體物理和技術(shù)既能滿足混合堆的運行要求。而且隨著國際熱核實驗堆ITER項目的順利啟動， 具有幾百兆瓦聚變功率的聚變中子源將會得以實現(xiàn)，這樣就為早日利用聚變能提過了有效途徑，同時也為推動永久清潔能源-純聚變能商用化技術(shù)發(fā)展積累技術(shù)基礎(chǔ)。
聚變裂變混合堆的研究最早開始于1954年，上世紀(jì)70年代得到大規(guī)模研究，上世紀(jì)80年代后期，美蘇出于核不擴(kuò)散的考慮，提出停止研究聚變裂變混合堆。1998年后，國際上又重新重視對聚變裂變混合堆的研究，主要的研究活動集中于美國、日本和土耳其。如果日本大阪大學(xué)設(shè)計的熱裂變包層方案和東京大學(xué)設(shè)計的易裂變钚平衡的快裂變包層，美國 TSIResearch incorporation近期提出的基于快裂變包層的發(fā)電堆方案設(shè)計，美國普林斯頓等離子體實驗室設(shè)計的熱裂變?nèi)埯}包層，西屋公司設(shè)計的高功率密度商業(yè)托卡馬克次臨界包層以及土耳其Teknoloji大學(xué)設(shè)計的基于ARIES-RS的聚變裂變混合堆。我國在聚變裂變混合堆方面的研究起始于1980年，主要在中科院等離子體物理研究所(ASIPP)，核工業(yè)西南物理研究院(SWIP)、原子能研究院(CIAE)以及中國工程物理研究院(CAEP)進(jìn)行概念設(shè)計，重點開展核燃料增殖和核廢料嬗變方面的研究。在“863”計劃的支持下，以ASIPP 和SWIP為主的科研人員設(shè)計了以增殖核燃料為目標(biāo)的實驗混合堆TETB，TETB-II，商用混合堆TCB等一系列概念設(shè)計和改進(jìn)條件。后來相繼有實際了實驗型增殖混合堆設(shè)計(FEB) 和FEB-E?！?63”計劃結(jié)束后，國內(nèi)主要進(jìn)行了聚變裂變混合核廢料嬗變堆概念的研究，期間主要的工作是由中國科學(xué)院等離子體物理研究所先進(jìn)核能研究團(tuán)隊提出了氦氣和LiPb 雙冷快裂變包層概念(FDS-I)。
從近期的國際聚變裂變混合堆研究趨勢上可以看出，基于較為容易實現(xiàn)的等離子體堆芯技術(shù)和成熟的裂變電站技術(shù)發(fā)展聚變驅(qū)動次臨界堆已經(jīng)成為新的研究熱點和發(fā)展趨勢。為了早日實現(xiàn)聚變能的應(yīng)用，選用低聚變功率的堆芯作為次臨界包層的驅(qū)動器更具現(xiàn)實可行性，但次臨界包層設(shè)計時卻面臨著以下幾個方面的關(guān)鍵問題
(I)為了達(dá)到規(guī)模發(fā)電的目標(biāo)，低聚變功率堆芯必然要求包層有較大的能量放大
3能力，完全利用可裂變材料(如U238)的快中子裂變產(chǎn)生能量的包層，其能量放大倍數(shù)不高，產(chǎn)生的總熱量有限，不適合規(guī)模發(fā)電；
(2)利用易裂變?nèi)剂系目熘凶恿炎?如U235、PU239)可達(dá)到較高的能量放大倍數(shù)， 但包層局部功率密度過高，會導(dǎo)致傳熱困難和熱工安全問題；
(3)利用易裂變?nèi)剂系臒嶂凶恿炎兛梢赃_(dá)到較高的能量放大倍數(shù)，但需要的易裂變?nèi)剂系某跹b量過高，不利于反應(yīng)堆的規(guī)?；l(fā)展；
(4)易裂變?nèi)剂戏瞧胶庠O(shè)計會使得包層內(nèi)有效中子倍增因子發(fā)生較大變化，由于次臨界包層內(nèi)不能放置控制反應(yīng)性變化的控制棒，如果反應(yīng)性增加則有可能使得包層達(dá)到臨界，而反應(yīng)性下降的設(shè)計則會使得包層的能量放大能力不足；頻繁更換包層會影響反應(yīng)堆的可用率和經(jīng)濟(jì)性，也會對燃料的后處理帶來較大的負(fù)擔(dān)；
(5)為提高混合堆發(fā)電效率，需要盡量提高冷卻劑的出口溫度，而如何在提高出口溫度的前提下滿足結(jié)構(gòu)材料和燃料元件溫度不超過安全限制，需要優(yōu)化冷卻劑的流動方式。
目前的聚變堆包層設(shè)計中主要是利用單獨快中子裂變或熱中子裂變的方式產(chǎn)生能量，對初裝料的要求過高，且不易達(dá)到長期的能量輸出。傳熱方式也主要是利用氦氣冷卻第一壁后直接進(jìn)入氦氣聯(lián)箱，氦氣溫度低，發(fā)電效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種利用快-熱耦合混合能譜實現(xiàn)長期能量放大的聚變堆包層，該包層不但能夠解決單能譜包層面臨的易裂變?nèi)剂铣跹b量過高或能量放大不足的缺點，實現(xiàn)較為穩(wěn)定的長期的能量放大，而且能夠利用氦氣的環(huán)向流動、逐級冷卻的方式獲得較高的發(fā)電效率和較好的安全性。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案利用快-熱耦合混合能譜實現(xiàn)長期能量放大的聚變堆包層，其特征在于包括一個第一壁I、一個快裂變區(qū)2、一個非裂變中子倍增區(qū)3、一個熱裂變區(qū)4、一個氚增殖區(qū)5，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外的次序為第一壁I、快裂變區(qū)2、非裂變中子倍增區(qū)3、 熱裂變區(qū)4和氚增殖區(qū)5 ;所述包層采用氦氣環(huán)向流動、逐級冷卻的方式，氦氣從第一壁側(cè)壁管道進(jìn)入混合包層，在冷卻了第一壁I后通過包層側(cè)壁橫向進(jìn)入快中子裂變區(qū)2，冷卻快中子裂變區(qū)2之后從所述包層的另一側(cè)進(jìn)入非裂變中子增殖區(qū)3和熱裂變區(qū)4后進(jìn)入第一壁側(cè)壁管道流出，氚增殖區(qū)5的液態(tài)鋰鉛從包層上部進(jìn)入，下部流出，依靠自身的流動將熱量和產(chǎn)生的氚帶出。
所述快裂變區(qū)2采用壓水堆乏燃料或貧鈾，中子能譜為快譜，利用14MeV高能聚變中子提高乏燃料或貧鈾的裂變率，提高中子產(chǎn)額。
所述非裂變中子倍增區(qū)3采用鈹或鉛，用來增殖和慢化中子，提高進(jìn)入熱裂變區(qū)的中子通量。
所述熱裂變區(qū)4采用鈾钚混合氧化物燃料(MOX)，中子能譜為熱譜，MOX中易裂變 Pu的比例為9-12%，通過吸收中子發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生熱量和生產(chǎn)易裂變?nèi)剂?，易裂變Pu產(chǎn)生和消耗可實現(xiàn)基本平衡。
所述氚增殖區(qū)5采用液態(tài)鋰鉛共晶體(Pb83Li17),鋰鉛在包層內(nèi)緩慢流動，實現(xiàn)自冷并將產(chǎn)生的氚攜帶出包層，用于氚提取和循環(huán)。[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于
(I)本發(fā)明在靠近聚變堆芯等離子體的外圍放置可裂變?nèi)剂蟻戆l(fā)生快中子裂變反應(yīng)，可裂變材料可以采用貧鈾或者乏燃料，在可裂變?nèi)剂蠀^(qū)域外圍放置非裂變的中子倍增劑以增殖快裂變中子并使中子得到慢化，非裂變中子倍增劑可采用鈹或鉛，在非裂變中子倍增劑外圍放置乏燃料以產(chǎn)生能量和增殖核燃料，最后在乏燃料區(qū)域外圍放置液態(tài)鋰鉛以增殖氚。這種通過快-熱耦合的方式解決利用低聚變功率堆芯規(guī)模發(fā)電對包層中易裂變核素初裝料量要求過高的問題，解決單一利用快裂變包層發(fā)電所帶來的局部功率密度過高以及燃料不易平衡的問題，利用氦氣環(huán)向流動、逐級冷卻的方式使各區(qū)之間溫度平衡，有利于提高冷卻劑出口溫度，避免極向流動導(dǎo)致的包層溫度不均勻，以及局部溫度過高的缺點。
(2)發(fā)明包層采用氦氣環(huán)向流動、逐級冷卻的方式，低溫氦氣在冷卻了第一壁后通過第一壁側(cè)壁聯(lián)箱橫向進(jìn)入高熱功率密度的快中子裂變區(qū)，冷卻快中子裂變區(qū)之后從包層的另一側(cè)進(jìn)入非裂變中子增殖區(qū)和熱裂變區(qū)，該設(shè)計的主要目的是使各區(qū)之間溫度平衡， 有利于提高冷卻劑出口溫度，提高發(fā)電效率，避免極向流動導(dǎo)致的包層溫度不均勻，流動阻力過大，以及局部溫度過高的缺點。利用創(chuàng)新的環(huán)向流動、逐級冷卻的方式解決高功率密度包層傳熱問題，利于包層的結(jié)構(gòu)安全。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中1第一壁，2快中子裂變區(qū)，3非裂變中子增殖區(qū)，4熱裂變區(qū)，5氚增殖區(qū)。
具體實施方式
聚變堆的包層主要由結(jié)構(gòu)材料(低活化鋼)和功能材料組成(裂變材料、中子倍增材料、氚增殖材料等)，結(jié)構(gòu)材料在包層的外圍，將功能材料包容起來，避免功能材料區(qū)的放射性釋放出來。面向等離子體區(qū)的結(jié)構(gòu)材料被稱為第一壁1，如圖I所示。本發(fā)明利用快-熱耦合混合能譜實現(xiàn)長期能量放大的聚變堆包層，包括一個第一壁I、一個快裂變區(qū)
2、一個非裂變中子倍增區(qū)3、一個熱裂變區(qū)4、一個氚增殖區(qū)5，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外的次序為冷卻第一壁I、快裂變區(qū)2、非裂變中子倍增區(qū)3、熱裂變區(qū)4和氚增殖區(qū)5。其中第一壁I采用低活化鋼作為結(jié)構(gòu)材料，中間設(shè)置有氦氣流道，利用氦氣冷卻?？炝炎儏^(qū)2采用乏燃料或貧鈾，中子能譜為快譜，利用14MeV高能聚變中子提高乏燃料或貧鈾的裂變率，提高中子產(chǎn)額。非裂變中子倍增區(qū)3采用鈹或鉛，用來增殖和慢化中子，提高進(jìn)入熱裂變區(qū)的中子通量。熱裂變區(qū)4采用乏燃料，中子能譜為熱譜，乏燃料通過吸收中子發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生熱量和生產(chǎn)易裂變?nèi)剂稀ｋ霸鲋硡^(qū)5采用液態(tài)鋰鉛，鋰鉛在包層內(nèi)緩慢流動，實現(xiàn)自冷并將產(chǎn)生的氚攜帶出包層，用于氚提取和循環(huán)。
如圖I所示，本發(fā)明具體實現(xiàn)如下
(I)采用快-熱耦合的裂變方式，即在靠近等離子體的快裂變區(qū)2充分利用高能聚變中子與可裂變核燃料的快中子裂變反應(yīng)，對聚變中子進(jìn)行數(shù)量放大。快裂變區(qū)2后面放置非裂變中子倍增區(qū)3用于增殖快裂變中子，同時對快裂變中子進(jìn)行慢化。熱裂變區(qū)4采用熱裂變方式用于產(chǎn)生能量和增殖易裂變?nèi)剂?，熱裂變區(qū)4為氚增殖區(qū)用于生產(chǎn)氚以維持聚變堆芯的燃料供應(yīng)。[0026](2)快裂變區(qū)2采用貧鈾或經(jīng)過裂變產(chǎn)物提取后的輕水堆乏燃料(含鈾以及超鈾元素)作為裂變?nèi)剂希琔-238吸收一個聚變中子引發(fā)的快裂變可以釋放出4. 5個裂變中子， 可以大大提高中子通量，同時通過鈾-238的裂變產(chǎn)生能量；氦氣用作冷卻劑，有利于快中子的利用，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和相容性。
(3)非裂變中子增殖區(qū)3采用鈹或鉛增殖中子，提高進(jìn)入熱裂變區(qū)4的中子通量， 同時慢化中子，提高熱裂變區(qū)4材料的裂變率。熱裂變區(qū)4采用經(jīng)過處理的壓水堆乏料(含钚和鈾組成的混合燃料)，通過調(diào)整燃料的比例(即裂變?nèi)剂现泻?-12%左右的易裂變壓水堆乏料Pu，其余重金屬為壓水堆乏料鈾)，使得熱裂變包層中的易裂變钚的產(chǎn)生率和裂變率平衡，以保持系統(tǒng)的長期(如超過10年)穩(wěn)定運行。
(4)包層第一壁I結(jié)構(gòu)及主要的裂變區(qū)采用氦氣環(huán)向流動、逐級冷卻的方式。低溫氦氣在冷卻了第一壁I后通過第一壁側(cè)壁聯(lián)箱橫向進(jìn)入高熱功率密度的快中子裂變區(qū)2， 冷卻快中子裂變區(qū)2之后從包層的另一側(cè)進(jìn)入非裂變中子增殖區(qū)3和熱裂變區(qū)4。氦氣的流動路線見圖示的箭頭表示，使得各區(qū)之間溫度平衡，有利于提高冷卻劑出口溫度，提高發(fā)電效率，避免極向流動導(dǎo)致的包層溫度不均勻，流動阻力過大，以及局部溫度過高的缺點。
(5)氚增殖區(qū)5使用液態(tài)鋰鉛共晶體，液態(tài)鋰鉛吸收中子后產(chǎn)生氚并產(chǎn)生能量。液態(tài)鋰鉛依靠自身的緩慢流動將熱量和氚帶出，在反應(yīng)堆外部進(jìn)行氚提取，有利于提高氚產(chǎn)生率和提取效率。
6
權(quán)利要求
1.利用快-熱耦合混合能譜實現(xiàn)長期能量放大的混合堆包層，其特征在于包括一個第一壁(I) 一個快裂變區(qū)(2)、一個非裂變中子倍增區(qū)(3)、一個熱裂變區(qū)(4)、一個氚增殖區(qū)(5)，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外的次序為第一壁(I)、快裂變區(qū)(2)、非裂變中子倍增區(qū)(3)、熱裂變區(qū)(4)和氚增殖區(qū)(5);所述包層采用氦氣環(huán)向流動、逐級冷卻的方式，氦氣從第一壁側(cè)壁管道進(jìn)入混合包層，在冷卻了第一壁(I)后通過包層側(cè)壁橫向進(jìn)入快中子裂變區(qū)(2)，冷卻快中子裂變區(qū)(2)之后從所述包層的另一側(cè)進(jìn)入非裂變中子增殖區(qū)(3)和熱裂變區(qū)(4)后進(jìn)入第一壁側(cè)壁管道流出；氚增殖區(qū)(5)的液態(tài)鋰鉛從包層上部進(jìn)入，下部流出，依靠自身的流動將熱量和產(chǎn)生的氚帶出。
2.根據(jù)權(quán)利I中所述的混合堆包層，其特征在于所述快裂變區(qū)(2)采用壓水堆乏燃料或貧鈾，中子能譜為快譜，利用14MeV高能聚變中子提高乏燃料或貧鈾的裂變率，提高中子產(chǎn)額。
3.根據(jù)權(quán)利I中所述的混合堆包層，其特征在于所述非裂變中子倍增區(qū)(3)采用鈹或鉛，用來增殖和慢化中子，提高進(jìn)入熱裂變區(qū)的中子通量。
4.根據(jù)權(quán)利I中所述的混合堆包層，其特征在于所述熱裂變區(qū)(4)采用鈾钚混合氧化物燃料(MOX)，中子能譜為熱譜，MOX中易裂變Pu的比例為9-12%，通過吸收中子發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生熱量和生產(chǎn)易裂變?nèi)剂?，易裂變Pu的產(chǎn)生和消耗量可實現(xiàn)基本平衡。
5.根據(jù)權(quán)利I中所述的混合堆包層，其特征在于所述氚增殖區(qū)(5)采用液態(tài)鋰鉛共晶體(Pb83Li17),鋰鉛在包層內(nèi)緩慢流動，實現(xiàn)自冷并將產(chǎn)生的氚攜帶出包層，用于氚提取和循環(huán)。
專利摘要
利用快-熱耦合混合能譜實現(xiàn)長期能量放大的混合堆包層，包括一個第一壁、一個快裂變區(qū)、一個非裂變中子倍增區(qū)、一個熱裂變區(qū)、一個氚增殖區(qū)，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外的次序為第一壁、快裂變區(qū)、非裂變中子倍增區(qū)、熱裂變區(qū)和氚增殖區(qū)；所述包層采用氦氣環(huán)向流動、逐級冷卻的方式，氦氣從第一壁側(cè)壁管道進(jìn)入包層，在冷卻了第一壁后通過包層側(cè)壁橫向進(jìn)入快中子裂變區(qū)，冷卻快中子裂變區(qū)之后從所述包層的另一側(cè)進(jìn)入非裂變中子增殖區(qū)和熱裂變區(qū)后進(jìn)入第一壁側(cè)壁管道流出；氚增殖區(qū)的液態(tài)鋰鉛從包層上部進(jìn)入，下部流出，依靠自身的流動將熱量和產(chǎn)生的氚帶出。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)長期的能量放大，較高的發(fā)電效率和較好的安全性。
文檔編號G21B1/01GKCN102610284SQ201210089639
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月30日
發(fā)明者吳宜燦, 柏云清, 王明煌, 金鳴 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan