[发明专利]利用快-热耦合混合能谱实现长期能量放大的混合堆包层

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TSIResearch 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