[发明专利]基于氘氧化锂重水溶液的氚增殖包层系统

说明书

技术领域

本发明属于聚变氚增殖包层技术领域，具体涉及一种新的聚变氚增殖包层系统方案，用于解决国际热核聚变实验堆(ITER)后的氘氚聚变技术研究装置、聚变工程技术实验堆以及聚变示范堆的氚自持问题。

背景技术

根据目前的磁约束等离子体聚变控制技术发展趋势，国际热核聚变实验堆(ITER)后的磁约束聚变示范堆将主要采用氘氚作为基本燃料。氘在自然界中的含量较为丰富，但氚在自然界中含量极为稀少（大气中总量不足1公斤），必须通过聚变堆的氚增殖包层实现氚自持（既一个氚参与聚变反应产生一个中子，该中子被增殖包层中的锂吸收又产生一个氚继续参与聚变反应）。一般采用包层产氚率（TBR）来反映氚增殖包层概念设计是否能满足聚变堆氚自持的需要。一般来说氚增殖包层的TBR应该大于1，考虑到氚在循环过程中的损失以及为下一个聚变堆装置提供足够的启动氚以尽快实现聚变堆的规模倍增，一些学者认为ITER后的聚变示范堆的TBR应该大于1.15。这对聚变堆氚增殖包层的概念设计而言是一个很严峻的挑战。

国际上曾经就如何实现聚变堆的氚自持提出过多种氚增殖包层概念，经过长期的研究比较，目前主要有两大类概念，一类围绕固态氚增殖剂，采用氦冷或水冷的方式，以低活性铁素体/马氏体（以下简称RAFM）钢为结构材料的固态氚增殖包层概念，而另一类则是围绕液态锂铅增殖剂，采用单冷或双冷的方式，以RAFM钢为结构材料的液态氚增殖包层概念。而中国选择了固态氚增殖剂/氦冷/RAFM钢氚增殖包层概念（HCCB）和液态锂铅增殖剂/双功能/RAFM钢氚增殖包层概念（DFLL）加以研究发展。

其中，氦冷固态增殖剂（HCCB）包层概念设计采用2×6的模块化设计，模块尺寸按1/2垂直实验窗口布置；氚增殖剂采用Li4SiO4的锂陶瓷小球，中子倍增剂采用铍金属微球，均为球床结构；结构材料采用低活化RAFM钢；8MPa压力、进出口温度分别为300℃和500℃的氦气作为冷却剂。双功能液态锂铅(DFLL)包层概念设计也按照1/2垂直实验窗口布置，采用低活化RAFM钢作为结构材料，采用氦气冷却结构部件；单冷模式时，液态锂铅仅作为增殖剂而不作为冷却剂，锂铅流动速度慢（<1mm/s），出口温度较低（～400℃）；双冷模式时，液态锂铅不仅作为增殖剂而且作为冷却剂携带核热，锂铅流动速度快(～10mm/s)，出口温度较高（700℃）。

与液态锂铅氚增殖包层概念相比，固态氚增殖包层概念比较安全可靠，没有液态锂铅在磁约束聚变装置的强磁场下流动带来磁流学问题。但缺点也很突出，就是在今后的聚变示范堆中如何实现在线换料问题。国外一些专家提出了利用固态氚增殖包层球床自身特有的类似液体的流动性，用载气吹动小球，让固态氚增殖剂也“流动”起来，从而实现换料。但对目前中国的氦冷固态增殖剂（HCCB）包层概念设计而言，这种换料方式实现起来比较困难，主要是由于中国的HCCB包层概念设计采用了子模块的概念，相比欧洲和日本的固态氚增殖包层模块，内部结构要复杂得多，导致提氚载气的流动路径非常曲折，特别是球床区和提氚载气管道之间采用了栅栏，使锂陶瓷小球的流动变得不可能。

从提氚技术角度，HCCB和DFLL两种氚增殖包层系统目前的氚提取都是采用含有氢气的氦气作为载气利用同位素的置换效应将氚从锂陶瓷小球（HCSB概念）或锂铅合金（DFLL）带出，由于氚在锂陶瓷和锂铅合金都有一定的溶解度，因此这两种包层概念都会存在氚的滞留问题，因此需要高温的载气（600度以上）以增强氚的析出。而由载气带出的氚根据目前两个概念的提氚系统设计需要通过低温（达到液氮温度）选择性吸附实现氦与氢同位素，分离后的氦再重新加热到500度以上送回氚增殖区作为载气去提氚，从今后聚变示范堆的角度，这样的提氚路线是很不经济的。

针对现有的固态和液态两种聚变包层氚增殖解决方案存在的问题，我们提出了一种基于氘氧化锂重水溶液的新的聚变包层氚增殖解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的聚变堆包层氚增殖解决方案，以解决国际热核聚变实验堆(ITER)后的氘氚聚变技术研究装置、聚变工程技术实验堆以及聚变示范堆的氚自持问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为，一种基于氘氧化锂重水溶液的新的聚变堆氚增殖包层系统，该系统包括以下特征：

一，该系统由氚增殖包层本体、一回路系统、氚富集系统三部分组成，氚增殖包层本体与一回路系统通过流体进口、流体出口两个管口连接，一回路系统通过其减压汽液分离装置的蒸汽出口与氚富集系统连接。