專利名稱:利用快-熱耦合混合能譜實現長期能量放大的混合堆包層的制作方法
技術領域：
本發明屬于聚變裂變混合堆的包層設計領域，具體涉及一種利用快-熱耦合混合能譜方式實現長期能量放大的混合堆包層。
技術背景
聚變裂變混合堆的原理是利用聚變堆芯氘氚反應產生的高能中子來驅動裂變包層中的核材料引發裂變反應，利用裂變反應產生的能量來發電。包層運行在次臨界狀態，具有固有安全性。另外，與常規的裂變反應堆相比，聚變裂變混合堆可以降低對裂變核燃料品質的要求，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有托卡馬克實驗裝置參數適量外推的等離子體物理和技術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，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發展積累技術基礎。
聚變裂變混合堆的研究最早開始于1954年，上世紀70年代得到大規模研究，上世紀80年代后期，美蘇出于核不擴散的考慮，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。如果日本大阪大學設計的熱裂變包層方案和東京大學設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電堆方案設計，美國普林斯頓等離子體實驗室設計的熱裂變熔鹽包層，西屋公司設計的高功率密度商業托卡馬克次臨界包層以及土耳其Teknoloji大學設計的基于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)進行概念設計，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為主的科研人員設計了以增殖核燃料為目標的實驗混合堆TETB，TETB-II，商用混合堆TCB等一系列概念設計和改進條件。后來相繼有實際了實驗型增殖混合堆設計(FEB) 和FEB-E。“863”計劃結束后，國內主要進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院等離子體物理研究所先進核能研究團隊提出了氦氣和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，基于較為容易實現的等離子體堆芯技術和成熟的裂變電站技術發展聚變驅動次臨界堆已經成為新的研究熱點和發展趨勢。為了早日實現聚變能的應用，選用低聚變功率的堆芯作為次臨界包層的驅動器更具現實可行性，但次臨界包層設計時卻面臨著以下幾個方面的關鍵問題
(I)為了達到規模發電的目標，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)的快中子裂變產生能量的包層，其能量放大倍數不高，產生的總熱量有限，不適合規模發電；
(2)利用易裂變燃料的快中子裂變(如U235、PU239)可達到較高的能量放大倍數， 但包層局部功率密度過高，會導致傳熱困難和熱工安全問題；
(3)利用易裂變燃料的熱中子裂變可以達到較高的能量放大倍數，但需要的易裂變燃料的初裝量過高，不利于反應堆的規模化發展；
(4)易裂變燃料非平衡設計會使得包層內有效中子倍增因子發生較大變化，由于次臨界包層內不能放置控制反應性變化的控制棒，如果反應性增加則有可能使得包層達到臨界，而反應性下降的設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堆的可用率和經濟性，也會對燃料的后處理帶來較大的負擔；
(5)為提高混合堆發電效率，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構材料和燃料元件溫度不超過安全限制，需要優化冷卻劑的流動方式。
目前的聚變堆包層設計中主要是利用單獨快中子裂變或熱中子裂變的方式產生能量，對初裝料的要求過高，且不易達到長期的能量輸出。傳熱方式也主要是利用氦氣冷卻第一壁后直接進入氦氣聯箱，氦氣溫度低，發電效率不高。

發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提供一種利用快-熱耦合混合能譜實現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燃料初裝量過高或能量放大不足的缺點，實現較為穩定的長期的能量放大，而且能夠利用氦氣的環向流動、逐級冷卻的方式獲得較高的發電效率和較好的安全性。
本發明的技術解決方案利用快-熱耦合混合能譜實現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2、一個非裂變中子倍增區3、一個熱裂變區4、一個氚增殖區5，其結構由內到外的次序為第一壁I、快裂變區2、非裂變中子倍增區3、 熱裂變區4和氚增殖區5 ;所述包層采用氦氣環向流動、逐級冷卻的方式，氦氣從第一壁側壁管道進入混合包層，在冷卻了第一壁I后通過包層側壁橫向進入快中子裂變區2，冷卻快中子裂變區2之后從所述包層的另一側進入非裂變中子增殖區3和熱裂變區4后進入第一壁側壁管道流出，氚增殖區5的液態鋰鉛從包層上部進入，下部流出，依靠自身的流動將熱量和產生的氚帶出。
所述快裂變區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，提高中子產額。
所述非裂變中子倍增區3采用鈹或鉛，用來增殖和慢化中子，提高進入熱裂變區的中子通量。
所述熱裂變區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%，通過吸收中子發生裂變反應產生熱量和生產易裂變燃料，易裂變Pu產生和消耗可實現基本平衡。
所述氚增殖區5采用液態鋰鉛共晶體(Pb83Li17),鋰鉛在包層內緩慢流動，實現自冷并將產生的氚攜帶出包層，用于氚提取和循環。[0018]本發明與現有技術相比的優點在于
(I)本發明在靠近聚變堆芯等離子體的外圍放置可裂變燃料來發生快中子裂變反應，可裂變材料可以采用貧鈾或者乏燃料，在可裂變燃料區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生能量和增殖核燃料，最后在乏燃料區域外圍放置液態鋰鉛以增殖氚。這種通過快-熱耦合的方式解決利用低聚變功率堆芯規模發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，利用氦氣環向流動、逐級冷卻的方式使各區之間溫度平衡，有利于提高冷卻劑出口溫度，避免極向流動導致的包層溫度不均勻，以及局部溫度過高的缺點。
(2)發明包層采用氦氣環向流動、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壁聯箱橫向進入高熱功率密度的快中子裂變區，冷卻快中子裂變區之后從包層的另一側進入非裂變中子增殖區和熱裂變區，該設計的主要目的是使各區之間溫度平衡， 有利于提高冷卻劑出口溫度，提高發電效率，避免極向流動導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。利用創新的環向流動、逐級冷卻的方式解決高功率密度包層傳熱問題，利于包層的結構安全。


圖I為本發明的結構示意圖。
其中1第一壁，2快中子裂變區，3非裂變中子增殖區，4熱裂變區，5氚增殖區。
具體實施方式
聚變堆的包層主要由結構材料(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)，結構材料在包層的外圍，將功能材料包容起來，避免功能材料區的放射性釋放出來。面向等離子體區的結構材料被稱為第一壁1，如圖I所示。本發明利用快-熱耦合混合能譜實現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
2、一個非裂變中子倍增區3、一個熱裂變區4、一個氚增殖區5，其結構由內到外的次序為冷卻第一壁I、快裂變區2、非裂變中子倍增區3、熱裂變區4和氚增殖區5。其中第一壁I采用低活化鋼作為結構材料，中間設置有氦氣流道，利用氦氣冷卻。快裂變區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，提高中子產額。非裂變中子倍增區3采用鈹或鉛，用來增殖和慢化中子，提高進入熱裂變區的中子通量。熱裂變區4采用乏燃料，中子能譜為熱譜，乏燃料通過吸收中子發生裂變反應產生熱量和生產易裂變燃料。氚增殖區5采用液態鋰鉛，鋰鉛在包層內緩慢流動，實現自冷并將產生的氚攜帶出包層，用于氚提取和循環。
如圖I所示，本發明具體實現如下
(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，對聚變中子進行數量放大。快裂變區2后面放置非裂變中子倍增區3用于增殖快裂變中子，同時對快裂變中子進行慢化。熱裂變區4采用熱裂變方式用于產生能量和增殖易裂變燃料，熱裂變區4為氚增殖區用于生產氚以維持聚變堆芯的燃料供應。[0026](2)快裂變區2采用貧鈾或經過裂變產物提取后的輕水堆乏燃料(含鈾以及超鈾元素)作為裂變燃料，U-238吸收一個聚變中子引發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，具有良好的化學穩定性和相容性。
(3)非裂變中子增殖區3采用鈹或鉛增殖中子，提高進入熱裂變區4的中子通量， 同時慢化中子，提高熱裂變區4材料的裂變率。熱裂變區4采用經過處理的壓水堆乏料(含钚和鈾組成的混合燃料)，通過調整燃料的比例(即裂變燃料中含有9-12%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生率和裂變率平衡，以保持系統的長期(如超過10年)穩定運行。
(4)包層第一壁I結構及主要的裂變區采用氦氣環向流動、逐級冷卻的方式。低溫氦氣在冷卻了第一壁I后通過第一壁側壁聯箱橫向進入高熱功率密度的快中子裂變區2， 冷卻快中子裂變區2之后從包層的另一側進入非裂變中子增殖區3和熱裂變區4。氦氣的流動路線見圖示的箭頭表示，使得各區之間溫度平衡，有利于提高冷卻劑出口溫度，提高發電效率，避免極向流動導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5使用液態鋰鉛共晶體，液態鋰鉛吸收中子后產生氚并產生能量。液態鋰鉛依靠自身的緩慢流動將熱量和氚帶出，在反應堆外部進行氚提取，有利于提高氚產生率和提取效率。
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權利要求
1.利用快-熱耦合混合能譜實現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(2)、一個非裂變中子倍增區(3)、一個熱裂變區(4)、一個氚增殖區(5)，其結構由內到外的次序為第一壁(I)、快裂變區(2)、非裂變中子倍增區(3)、熱裂變區(4)和氚增殖區(5);所述包層采用氦氣環向流動、逐級冷卻的方式，氦氣從第一壁側壁管道進入混合包層，在冷卻了第一壁(I)后通過包層側壁橫向進入快中子裂變區(2)，冷卻快中子裂變區(2)之后從所述包層的另一側進入非裂變中子增殖區(3)和熱裂變區(4)后進入第一壁側壁管道流出；氚增殖區(5)的液態鋰鉛從包層上部進入，下部流出，依靠自身的流動將熱量和產生的氚帶出。
2.根據權利I中所述的混合堆包層，其特征在于所述快裂變區(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，提高中子產額。
3.根據權利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(3)采用鈹或鉛，用來增殖和慢化中子，提高進入熱裂變區的中子通量。
4.根據權利I中所述的混合堆包層，其特征在于所述熱裂變區(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%，通過吸收中子發生裂變反應產生熱量和生產易裂變燃料，易裂變Pu的產生和消耗量可實現基本平衡。
5.根據權利I中所述的混合堆包層，其特征在于所述氚增殖區(5)采用液態鋰鉛共晶體(Pb83Li17),鋰鉛在包層內緩慢流動，實現自冷并將產生的氚攜帶出包層，用于氚提取和循環。
專利摘要
利用快-熱耦合混合能譜實現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、一個非裂變中子倍增區、一個熱裂變區、一個氚增殖區，其結構由內到外的次序為第一壁、快裂變區、非裂變中子倍增區、熱裂變區和氚增殖區；所述包層采用氦氣環向流動、逐級冷卻的方式，氦氣從第一壁側壁管道進入包層，在冷卻了第一壁后通過包層側壁橫向進入快中子裂變區，冷卻快中子裂變區之后從所述包層的另一側進入非裂變中子增殖區和熱裂變區后進入第一壁側壁管道流出；氚增殖區的液態鋰鉛從包層上部進入，下部流出，依靠自身的流動將熱量和產生的氚帶出。本發明能夠實現長期的能量放大，較高的發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
發明者吳宜燦, 柏云清, 王明煌, 金鳴 申請人:中國科學院合肥物質科學研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan