[发明专利]一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统及其运行方法

说明书

技术领域

本发明属于聚变裂变混合能源堆的包层设计领域，特别涉及一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统及其运行方法。

背景技术

目前地球上已探明的钍储量大约是铀储量的3倍，通过先进反应堆增殖或转换将²³²Th转换成²³³U,将极大地提高现有核燃料资源的储存量。核能界在20世纪60年代末提出了利用聚变-裂变混合堆来增殖核燃料的想法，即在聚变装置外面装载贫铀、天然铀或天然钍燃料作为增殖层，利用聚变反应产生的高能中子在增殖层内增殖核燃料，并进行产能输出，增殖后的燃料可供热中子堆使用，该技术是解决核能发展中核燃料短缺以及提前利用聚变能的一种有效方式。

国内外在混合堆内使用钍燃料上开展了许多的研究工作，如上世纪70年代美国麻省理工提出采用抑制裂变提高易裂变燃料转化率的钍基熔盐方案，土耳其Nigde和Gazi大学在ARIES-RS聚变对内使用固体钍燃料增殖²³³U的方案，日本大阪大学开展的混合堆钍铀燃料循环研究，以及近期美国德克萨斯大学聚变研究中心设计了一种混合堆与压水堆结合的方案来利用钍燃料，即将钍燃料在混合堆内增殖，²³³U含量积累达到一定富集度时置入压水堆来烧。在国内，从80年代开始中科院等离子所与西南物理研究院陆续设计了以增殖核燃料为目标的实验混合堆TETB，TETB-II，FEB。近期在国际热核聚变实验堆（ITER）计划专项的支持下，国内多家单位开展了以产能为主要目标的次临界能源堆物理设计及实验校验的研究，其中清华大学承担了含钍燃料次临界能源堆设计的研究课题。

含钍次临界包层设计面临的一个关键问题是：对于²³²Th燃料，其裂变反应的阈能高达1MeV，热中子吸收截面接近²³⁸U的3倍，也即²³²Th的中子增殖能力很弱，中子经济性较差。上面提到的几种钍基混合堆研究表明纯Th基混合堆增殖包层的能量放大倍数M较低，在2左右，要实现产能输出，实现聚变能的早期应用，将对聚变功率提出较大的挑战。对于常规临界反应堆而言，为高效的实现²³²Th燃料的使用，可采用较高富集度的核燃料（²³⁵U或²³⁹Pu），来获得整体中子经济性的提升，启动整个反应堆的运行。对于混合堆而言，则是需要在天然富集度燃料的条件下实现启动，满足系统产能，氚增殖及燃料增殖。

发明内容

本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提出一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统及其运行方法，快裂变增殖堆仅利用天然铀燃料就可实现启动，同时生产热裂变堆启动所需的初始²³³U燃料。另外，热裂变堆包层的优化设计，使包层较高能量放大倍数，氚自持与²³³U增殖的目标达到平衡，实现其内²³³U的高校利用，达到钍、铀燃料自持循环。

一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统，所述混合堆系统，由快裂变增殖堆与热裂变堆两种反应堆构成，二者均为包层结构，且在混合堆系统中呈均匀交叉排列相连设置；

其中所述快裂变增殖堆包层由内到外，依次设置燃料区、熔盐燃料增殖区和快裂变增殖堆包层屏蔽区并顺次相连；所述燃料区由多个天然铀燃料层和多个冷却剂层交替排列相连构成，其中所述燃料区最内层设置1层天然铀燃料层，最外层设置1层冷却剂层；所述燃料区通过其最外层冷却剂层与所述熔盐燃料增殖区相连；

所述热裂变堆包层由内到外，依次设置产能区，产氚区，纯钍熔盐区，热裂变堆包层屏蔽区并顺次相连；所述产能区由产能区熔盐燃料层和慢化剂层相连构成；所述产氚区由产氚区熔盐燃料层和慢化剂层相连构成；所述产能区通过其最外层慢化剂层与所述产氚区的产氚区熔盐燃料层相连；所述产氚区通过其最外层慢化剂层与所述纯钍熔盐区相连；所述纯钍熔盐区由纯钍熔盐燃料层构成；所述热裂变堆包层屏蔽区由热裂变堆包层屏蔽层构成；

所述燃料区及产能区内设置等离子体区。

所述燃料区中冷却剂层使用的冷却剂为FLiBe。

所述熔盐燃料增殖区使用的熔盐燃料为LiF-BeF₂-ThF₄。

所述产能区使用的熔盐燃料为LiF-BeF₂-ThF₄-²³³UF₄。

所述慢化剂层使用的慢化剂为石墨。