[发明专利]一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯

说明书

技术领域

本发明属于核电设计技术，具体涉及一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯的装载方案设计。

背景技术

作为向受控核聚变电站过渡的特殊堆型，聚变-裂变混合堆在安全性、经济性、能源优化利用以及环境影响方面具有特殊的优势，以产能为主要目的的聚变-裂变次临界能源堆是聚变-裂变混合堆的一种，它将聚变堆作为产生高通量中子的中子源，在聚变装置外面包上一层裂变材料或可转换材料（如²³⁸U、²³²Th），通过聚变中子引起的裂变、（n,2n）和俘获反应来倍增能量和中子，从而产生电能和易裂变材料。以产能为主的裂变包层的能量倍增大，对聚变堆芯要求较低，可以实现得较早，同时混合堆的能量输出大，热效率高。但缺点是功率密度大，衰变余热大，对冷却系统要求高，对燃料组件设计要求苛刻，集中了裂变堆的难点。堆芯燃料组件设计需要满足产能和燃料增殖的需要，同时维持聚变堆芯的可持续运行。这就要求，组件必须选择合适的铀水比和燃料布置，确保燃料组件有较大的能量放大倍数，同时冷却剂能够带出堆芯产生的能量，燃料最高温度不超过燃料的相变温度。组件的厚度不宜过大，保证穿过燃料组件的中子能量和数量足够，使得氚增殖比大于限值要求，可以维持聚变堆芯的持续运行。

因此，聚变-裂变次临界能源堆堆芯装载设计需要综合考虑聚变堆芯结构、裂变能量放大、裂变燃料增殖、热工水力以及产氚包层产氚等所有因素，是聚变-裂变次临界能源堆堆芯设计的核心内容。目前国内外已有的初步方案工程可行性较差，如对聚变堆芯需要预留的偏滤器面积、冷却剂管道布置、冷却剂管道承压问题、堆芯整体布置等因素考虑较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好安全性、经济性的聚变-裂变次临界能源堆堆芯设计方案。

本发明的技术方案如下：一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，包括沿环形的等离子体聚变区域的环向设置的若干个燃料组件模块，每个燃料组件模块包括在等离子体聚变区域的极向方向布置的若干个燃料组件，在每个燃料组件朝向等离子体聚变区域的一侧布置一层耐高温、耐辐照的第一壁，在每个燃料组件相对于所述第一壁的另一侧布置产氚包层，在产氚包层外设有用于屏蔽泄漏中子的外层屏蔽。

进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，所述的燃料组件包括沿厚度方向依次设置的多层结构，每层结构包括沿高度方向布置的若干个设有铀-锆合金燃料的栅格单元，每个栅格单元的铀-锆合金燃料中设有水平贯穿的冷却管，冷却管的延伸方向与燃料组件的厚度方向相垂直，冷却管内设有可流动的冷却剂，冷却剂材料为轻水。

更进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，燃料组件中彼此相邻的三根冷却管的截面呈正三角形排列。

更进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，在燃料组件外设有锆包壳。

更进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，燃料组件的厚度为12cm-18cm，高度为85cm-125cm。

进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，所述的产氚包层包括若干层产氚材料，在相邻的两层产氚材料之间设有慢化剂水，产氚材料与慢化剂水之间设有锆隔板，产氚包层外设有锆包壳。

更进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，所述的产氚包层的长度和宽度都与燃料组件相等。

进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，所述的第一壁为马氏体钢材质，厚度为0.5cm-1.5cm。

进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，在等离子体聚变区域的环向共设置25个所述的燃料组件模块；每个燃料组件模块包含沿等离子体聚变区域的极向方向布置的17个燃料组件。

进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，所述的外层屏蔽为不锈钢材料。

进一步，如上所述的先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯，其中，在堆芯下部留有较大空间不布置燃料组件和产氚包层，用于聚变堆芯布置偏滤器等所需部件。

本发明的有益效果如下：本发明所提供的堆芯装载方案以ITER模型为参考，整个堆芯的装载能够同时满足能量放大倍数和氚增殖比的设计要求，并在很长时间内能够维持放大倍数和氚增殖比不断增长，堆芯增殖性能良好。该种堆装载方案实现了满足次临界能源堆芯能量放大和氚增殖比要求、增殖性能良好的一种堆芯设计，具有良好的安全性和经济性。

附图说明