本發(fā)明涉及一種模塊式基于Z箍縮驅(qū)動(dòng)的聚變裂變混合堆包層燃料區(qū)，屬于聚變裂變混合堆技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
聚變-裂變混合堆利用氘氚聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的高能中子驅(qū)動(dòng)次臨界包層，在包層中聚變中子用于引起裂變、生產(chǎn)易裂變?nèi)剂匣蛘哝幼兎派湫院藦U料，同時(shí)增殖氚來(lái)為聚變堆提供足夠的氚。以商業(yè)發(fā)電為主要目的混合能源堆，包層中燃料采用裂變堆乏燃料或天然鈾，實(shí)現(xiàn)較高的能量放大從而改善聚變系統(tǒng)的能量平衡。聚變裂變混合堆是根據(jù)聚變反應(yīng)是富中子（指聚變中子可通過(guò)Be、Pb、及U等核素的（n,2n）等反應(yīng)增殖可利用的中子）、貧能量（14MeV/次），而裂變反應(yīng)是貧中子、富能量（200MeV/次）的特點(diǎn)，利用聚變?cè)粗凶域?qū)動(dòng)次臨界包層，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能量、生產(chǎn)核燃料、處理核廢料等功能。聚變裂變混合堆包層的特點(diǎn)有：1）由于次臨界包層中的裂變反應(yīng)將大幅放大聚變堆的能量輸出，所以聚變裂變混合堆對(duì)聚變堆芯參數(shù)的要求遠(yuǎn)比純聚變電站低；2）較低的聚變堆芯參數(shù)使得結(jié)構(gòu)材料所受到的高能中子輻照強(qiáng)度相對(duì)較低，可適當(dāng)降低對(duì)結(jié)構(gòu)材料耐輻照性能的要求；3）包層使用輕水堆乏燃料或者天然鈾做裂變?nèi)剂希熘凶釉鲋郴蛑苯恿炎兛闪炎兒怂?，可大大提高鈾資源的利用率；4）裂變將增加系統(tǒng)內(nèi)的中子數(shù)量，多余的中子可以和鋰發(fā)生反應(yīng)來(lái)產(chǎn)氚，從而為聚變堆芯提供燃料。因此，在目前聚變可行性已達(dá)到或者即將達(dá)到的基礎(chǔ)上，采用大部分成熟技術(shù)，研究在經(jīng)濟(jì)上有競(jìng)爭(zhēng)力的聚變裂變混合堆裝置，能盡早地實(shí)現(xiàn)初級(jí)階段聚變應(yīng)用，極大地推動(dòng)我國(guó)核能的發(fā)展。聚變裂變混合堆研究始于上世紀(jì)五十年代，七十年代達(dá)到研究高峰，到八十年代后期由于能源需求減少和防止核擴(kuò)散使得其研究進(jìn)入低潮，到了本世紀(jì)初則重新受到重視。幾個(gè)代表研究為：1）日本基于托卡馬克的動(dòng)力生產(chǎn)聚變裂變混合堆（1984年），包層為包含平衡钚的快裂變包層，燃料區(qū)采用氦氣冷卻壓力管形式；2）美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（SNL）基于Z-箍縮聚變驅(qū)動(dòng)器的In-Zinerator次臨界嬗變堆概念。該嬗變堆采用(LiF)2-AnF3混合熔鹽燃料形式，以液態(tài)鉛作冷卻劑，每年能夠焚燒1240kg錒系核素，同時(shí)產(chǎn)生3000MWth熱量。3）美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）提出的激光慣性聚變能源（LIFE）概念。該概念采用TRISO燃料，以Flibe（2LiF+BeF2）氟化物熔鹽為冷卻劑，設(shè)計(jì)裂變能量放大因子為4～10。這些概念主要的目的為嬗變核廢料，通常需要初裝大量的钚或次級(jí)錒系核素，熔鹽面臨的材料問(wèn)題突出。國(guó)內(nèi)在863計(jì)劃內(nèi)主要研究了基于托卡馬克磁約束聚變的增殖钚及嬗變高放核廢料的聚變裂變混合堆概念設(shè)計(jì)。2000年后中科院合肥等離子體物理研究所和核工業(yè)西南物理研究所仍繼續(xù)開(kāi)展了規(guī)模較小的混合堆研究計(jì)劃，研究目標(biāo)主要是嬗變長(zhǎng)壽命高放廢物或裂變產(chǎn)物。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家單位提出了基于托卡馬克的聚變裂變混合堆包層設(shè)計(jì)。比如：1）中科院合肥物質(zhì)研究院提出的快-熱耦合混合能譜實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期能量方法的混合堆包層，采用了快裂變區(qū)、非裂變區(qū)中子倍增區(qū)、熱裂變區(qū)的復(fù)雜燃料區(qū)設(shè)計(jì)；2）中國(guó)核電工程公司提出的基于托卡馬克的小模塊燃料區(qū)設(shè)計(jì)；3）西交大提出的基于壓力管式燃料區(qū)設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)都基于托卡馬克磁約束聚變，由于托卡馬克的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了這些設(shè)計(jì)主要采用小模塊式，具備模塊數(shù)量多，冷卻劑流道復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)性較差的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于：提供一種聚變裂變混合堆包層燃料區(qū)，基于Z箍縮慣性約束聚變驅(qū)動(dòng)，克服托卡馬克磁約束裝置帶來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可用空間有限等缺點(diǎn)；同時(shí)，本包層燃料區(qū)采用鈾鋯合金燃料加壓水堆成熟的冷卻技術(shù)，利用簡(jiǎn)單幾何和流道設(shè)計(jì)，解決原有包層工程實(shí)現(xiàn)性差的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的能量輸出，同時(shí)采用工程通道提高包層的安全性；從而能有效的解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題。本發(fā)明目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種模塊式基于Z箍縮驅(qū)動(dòng)的聚變裂變混合堆包層燃料區(qū)，其包層沿環(huán)向均分成N個(gè)模塊，36≥N≥15，燃料區(qū)分成與包層對(duì)應(yīng)的N塊；每塊燃料區(qū)的上端為聚變靶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、下端為靶回收區(qū)域，在燃料區(qū)的上端和下端之間設(shè)三個(gè)獨(dú)立的模塊，分別為位于上部的梯形臺(tái)上端模塊、位于中部的長(zhǎng)方體中間模塊和位于下部的梯形臺(tái)下端模塊；所述上端模塊的冷卻水管采用橫向S形排列；所述下端模塊的冷卻水管采用橫向S形排列；所述中間模塊的冷卻水管采用軸向排列；工程通道設(shè)于燃料區(qū)的外端，且工程通道為上下貫穿型，工程通道的上、下端均與雙層安全殼的中間區(qū)域連通。作為優(yōu)選方式，正常情況下，所述上端模塊冷卻水管的冷卻水自下部進(jìn)入，在上端模塊內(nèi)呈S形來(lái)回流動(dòng)，再?gòu)捻敳苛鞒?；所述中間模塊冷卻水管的冷卻水從下部進(jìn)入，自下而上流動(dòng)，在上部匯總后流出；所述下端模塊冷卻水管的冷卻水自下部進(jìn)入，在下端模塊內(nèi)呈S形流動(dòng)，再?gòu)哪K頂部流出；三個(gè)模塊流出的冷卻水通過(guò)在三個(gè)模塊的外部匯總后流出，聯(lián)通至蒸汽發(fā)生器一回路入水口，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)通過(guò)熱量交換后通過(guò)主泵返回至包層。在堆芯失水事故下，燃料區(qū)冷卻水完全喪失，在工程通道中注入冷卻水，通過(guò)在燃料區(qū)外側(cè)和雙層安全殼的中間區(qū)域之間形成完整的自然循環(huán)回路，雙層安全殼外側(cè)與大氣或者噴淋系統(tǒng)等最終熱阱聯(lián)通，可帶走衰變熱，提高安全性。作為優(yōu)選方式，N為36～15，每塊燃料區(qū)的環(huán)向角度為10～24度；中間模塊的寬為1.225～2.976m；上端模塊的底端寬與中間模塊相同，頂端寬為0.26～0.64m，高為6.92m；下端模塊的頂端寬與中間模塊相同，底端寬為0.26～0.64m，高為6.92m。作為優(yōu)選方式，燃料區(qū)基本柵元的橫截面為正方形，邊長(zhǎng)為2.5～3.5cm；基本柵元呈三角形或正方形排列，層數(shù)為4～6層；燃料區(qū)采用內(nèi)冷卻水管式，燃料占據(jù)水管外的區(qū)域；水管半徑為0.8～1.2cm，水管采用鋯合金包殼，包殼厚度為0.1cm。作為優(yōu)選方式，中間模塊水管在下端分流，流經(jīng)中間模塊的豎直水管后，在頂端匯聚流出，總流道面積為0.09～0.30m2，功率為35～90MW，冷卻劑流量為158～407kg/s。作為優(yōu)選方式，上端模塊在下端分流，流經(jīng)S形橫排水管后，在上端匯聚流出，橫排水管高度方向分為3～5組，總流道面積為0.09～0.15m2，功率為20～55MW，冷卻劑流量為90～250kg/s。作為優(yōu)選方式，下端模塊在下端分流，流經(jīng)S形橫排水管后，在上端匯聚流出，橫排水管高度方向分為3～5組，總流道面積為0.09～0.15m2，功率為20～55MW，冷卻劑流量為90～250kg/s。作為優(yōu)選方式，包層包括由內(nèi)朝外依次設(shè)置的第一壁、燃料鋯箱內(nèi)壁、燃料區(qū)、燃料鋯箱外壁、工程通道、產(chǎn)氚區(qū)和屏蔽區(qū)。作為優(yōu)選方式，包層的鈾水比為1.5：1～2.5:1。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理為：1）包層采用高鈾水比，燃料采用含鈾合金燃料（如鈾鋯合金），冷卻劑采用與壓水堆相同的高溫高壓水，采用5年換料和簡(jiǎn)單干法后處理，能量放大倍數(shù)在200年內(nèi)始終保持10以上，產(chǎn)氚區(qū)TBR（氚增值比TritiumBreedingRatio的英文縮寫）可保持在1.10以上。包層的燃料區(qū)具有良好的能量放大功能，能夠滿足長(zhǎng)期的能量輸出；另外，包層具有很好的中子倍增性能，可同時(shí)滿足聚變堆芯的氚自持要求。2）燃燒區(qū)沿環(huán)向分為多段，每段沿軸向分成三個(gè)獨(dú)立的模塊，簡(jiǎn)化了形狀；其上、下端采用橫管布置，且適當(dāng)分組，保證了各流道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、長(zhǎng)度基本一致，對(duì)整個(gè)包層能夠有效冷卻。3）包層各模塊可獨(dú)立制造，每個(gè)模塊有一個(gè)進(jìn)水口和出水口，由于模塊總數(shù)較少，這簡(jiǎn)化了回路管道連接。包層模塊為梯形臺(tái)和長(zhǎng)方體構(gòu)型，內(nèi)嵌冷卻水管，尺寸合理，工程實(shí)現(xiàn)性好，并且有利于安全。4）在燃料區(qū)外側(cè)設(shè)置的工程通道，不僅沒(méi)有影響包層中子學(xué)性能，而且在事故工況下可利用自然循環(huán)將衰變熱載出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明提供一種聚變裂變混合堆包層燃料區(qū)，基于Z箍縮慣性約束聚變驅(qū)動(dòng)，克服托卡馬克磁約束裝置帶來(lái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可用空間有限等缺點(diǎn)；具體來(lái)說(shuō)，具備如下的優(yōu)點(diǎn)：1）采用環(huán)向分塊、軸向三塊的模塊分解方式，各個(gè)模塊采用獨(dú)立的進(jìn)水口和出水口；管道總數(shù)較少，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)；模塊采用整體制造，方便工程加工和安裝；2）包層模塊按照相應(yīng)的特點(diǎn)進(jìn)行不同流道設(shè)計(jì)；中間模塊采用豎直流道，上下端模塊采用三段S型橫管分組流道；這既可以使得上下端模塊和中間模塊鈾水比不變，保證了其核性能一致，又可以保證各模塊有效冷卻且出入口溫度大致相同，利于與現(xiàn)有壓水堆工程對(duì)接；3）設(shè)置工程通道，是一種非能動(dòng)載出包層衰變熱的設(shè)計(jì)，提高了包層的安全性。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明涉及的基于Z箍縮驅(qū)動(dòng)的聚變裂變混合堆包層縱剖面示意圖。圖2是本發(fā)明單塊包層燃料區(qū)的縱剖面示意圖。圖3是本發(fā)明上端模塊冷卻水管的布置截面示意圖。圖4是本發(fā)明中間模塊冷卻水管的布置截面示意圖。圖5是本發(fā)明下端模塊冷卻水管的布置截面示意圖。其中：第一壁-11，燃料鋯箱內(nèi)壁-12，燃料區(qū)-13，燃料鋯箱外壁-14，工程通道-6，產(chǎn)氚區(qū)-16，屏蔽區(qū)-17，聚變靶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)-1，下端為靶回收區(qū)域-2，上端模塊-3，中間模塊-4，下端模塊-5。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本說(shuō)明書(shū)中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了相互排斥的特質(zhì)和/或步驟以外，均可以以任何方式組合，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換，即，除非特別敘述，每個(gè)特征之一系列等效或類似特征中的一個(gè)實(shí)施例而已。一種模塊式基于Z箍縮驅(qū)動(dòng)的聚變裂變混合堆包層燃料區(qū)，如圖1所示，包層包括由內(nèi)朝外依次設(shè)置的第一壁11、燃料鋯箱內(nèi)壁12、燃料區(qū)13、燃料鋯箱外壁14、工程通道6、產(chǎn)氚區(qū)16和屏蔽區(qū)17，在產(chǎn)氚區(qū)的外側(cè)設(shè)有產(chǎn)氚區(qū)鋯箱內(nèi)壁和產(chǎn)氚區(qū)鋯箱外壁。包層沿環(huán)向均分成N個(gè)模塊，36≥N≥15，燃料區(qū)分成與包層對(duì)應(yīng)的N塊N的數(shù)值不易過(guò)大，若過(guò)大則形成過(guò)多的分塊，在燃燒區(qū)管道匯總時(shí)容易出現(xiàn)管道不易分配的問(wèn)題，N的數(shù)值若過(guò)小，將影響到燃燒區(qū)管道的冷卻效果。包層采用內(nèi)嵌冷卻水管式，水管呈三角形或正方形排列，鋯合金作為水管材料，水管外面為含鈾合金燃料；燃料區(qū)的鈾水比為1.5：1～2.5:1，經(jīng)計(jì)算，該鈾水比能夠同時(shí)滿足包層對(duì)能量倍增、包層冷卻和氚倍增的要求。如圖2所示，每塊燃料區(qū)13的上端為聚變靶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)1、下端為靶回收區(qū)域2，聚變靶放置在聚變靶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下端即聚變靶室的中心，裂變包層設(shè)置在聚變靶室的外部區(qū)域。在燃料區(qū)13的上端和下端之間設(shè)三個(gè)獨(dú)立的模塊，分別為位于上部的梯形臺(tái)上端模塊3、位于中部的長(zhǎng)方體中間模塊4和位于下部的梯形臺(tái)下端模塊5。所述上端模塊3的冷卻水管采用橫向S形排列；所述上端模塊3冷卻水管的冷卻水自下部進(jìn)入，在上端模塊3內(nèi)呈S形在相鄰兩水板之間來(lái)回流動(dòng)，再?gòu)捻敳苛鞒?；一個(gè)獨(dú)立的上端模塊只設(shè)置一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口。所述下端模塊5的冷卻水管采用橫向S形排列；所述下端模塊5冷卻水管的冷卻水自上部進(jìn)入，在下端模塊5內(nèi)呈S形在相鄰兩水板之間來(lái)回流動(dòng)，再?gòu)牡撞苛鞒?；一個(gè)獨(dú)立的下端模塊只設(shè)置一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口。所述中間模塊4的冷卻水管采用軸向排列；所述中間模塊4冷卻水管的冷卻水從下部進(jìn)入，自下而上流動(dòng)，在上部匯總后一并流出；一個(gè)獨(dú)立的中間模塊只設(shè)置一個(gè)進(jìn)水口和一個(gè)出水口。工程通道6設(shè)于燃料區(qū)的外端，且工程通道6為上下貫穿型，工程通道6的上、下端均與雙層安全殼的中間區(qū)域連通。中間模塊采用豎直流道，上下端模塊采用三段S型橫管分組流道；這保證了在包層模塊的各個(gè)位置鈾水比都相同，使得上下端模塊和中間模塊的核性能，包括功率密度、中子倍增性能基本一致，又可以保證各模塊有效冷卻且出入口溫度大致相同，利于與現(xiàn)有壓水堆工程對(duì)接。設(shè)置工程通道的作用是：在堆芯失水事故下，燃料區(qū)冷卻水完全喪失，在工程通道中注入冷卻水，通過(guò)在燃料區(qū)外側(cè)和雙層安全殼的中間區(qū)域之間形成完整的自然循環(huán)回路，雙層安全殼外側(cè)與大氣或者噴淋系統(tǒng)等最終熱阱聯(lián)通，可利用自然循環(huán)載出衰變熱。這是一種非能動(dòng)載出包層衰變熱的設(shè)計(jì)方案，提高了包層的安全性。實(shí)施例1，如圖3、圖4、圖5所示：所述N=20，每塊燃料區(qū)的環(huán)向占角為18度。其中：中間模塊4的寬為2.468m，高為6.92m；中間模塊4每層管道數(shù)94個(gè)，共564個(gè)管道；總流道面積0.1295m2；功率75.41MW；冷卻劑流量為306.9kg/s；冷卻劑流速為3.365m/s。上端模塊3的頂端寬為0.53m，底端寬為2.468m，高為6.92m；上端模塊3每排263根，共1578根；高度方向分為3組，每組526個(gè)管道，總流道面積為0.1208m2；功率45.63MW；冷卻劑流量為185.7kg/s；冷卻劑流速為2.183m/s。下端模塊5的底端寬為0.53m，頂端寬為2.468m，高為6.92m；下端模塊5每排263根，共1578根；高度方向分為3組，每組526個(gè)管道，總流道面積為0.1208m2；功率45.63MW；冷卻劑流量為185.7kg/s；冷卻劑流速為2.183m/s。燃料區(qū)13中柵元的橫截面為2.64cm×2.62cm，柵元呈三角形排列，共6層。冷卻水管內(nèi)徑1.71cm，外徑1.91cm；水管厚0.10cm。工程通道的厚度為4cm；事故工況下，工程通道與雙層安全殼之間注滿水。此時(shí)，自然循環(huán)流量為正常運(yùn)行流量的3.9%，足夠?qū)⑺プ儫崃枯d出。實(shí)施例2：所述N=24，每塊燃料區(qū)的環(huán)向占角為15度。其中：中間模塊4的寬為1.843m，高為6.92m；中間模塊4每層管道數(shù)61個(gè)，共305個(gè)管道；總流道面積0.0958m2；功率53.56MW；冷卻劑流量為242.2kg/s；冷卻劑流速為3.590m/s。上端模塊3的頂端寬為0.39m，底端寬為1.843m，高為6.92m；上端模塊3每排230根，共1150根；高度方向分為5組，每組230個(gè)管道，總流道面積為0.0723m2；功率32.45MW；冷卻劑流量為146.8kg/s；冷卻劑流速為2.885m/s。下端模塊5的底端寬為0.39m，頂端寬為1.843m，高為6.92m；下端模塊5每排230根，共1150根；高度方向分為5組，每組230個(gè)管道，總流道面積為0.0723m2；功率32.45MW；冷卻劑流量為146.8kg/s；冷卻劑流速為2.885m/s。燃料區(qū)13中柵元的橫截面為3.0cm×3.0cm，柵元呈正方形排列，共5層。冷卻水管內(nèi)徑2.0cm，外徑2.2cm；水管厚0.1cm。工程通道的厚度為4cm；事故工況下，工程通道與雙層安全殼之間注滿水。此時(shí)，自然循環(huán)流量為正常運(yùn)行流量的3.9%，足夠?qū)⑺プ儫崃枯d出。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。