[发明专利]用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置

说明书

技术领域

本发明属于核反应堆装置领域，尤其涉及用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的防护装置。

背景技术

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-Pinch-Driven Fusion-Fission Hybrid Power Reactor,Z-FFR)利用Z箍缩驱动惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)产生的大量中子驱动次临界裂变堆而释放能量，是一种能够有效应对未来能源危机和环境气候问题的新能源。Z-FFR需要聚变靶室(Fusion Chamber)为聚变的产生提供必要的环境，同时包容聚变产物并提供聚变安全防护功能。能源应用尺度的Z箍缩聚变放能约为每脉冲1～3GJ(1GJ＝10⁹J)，其中80％的能量由聚变高能中子携带、用于驱动次临界裂变堆放能。其余20％的能量由X射线、离子(Ions)和碎片(Debris)携带，将在微秒时间尺度内冲击聚变靶室面向等离子体第一壁(First Wall,FW)，造成第一壁表面烧蚀和结构破坏，影响靶室安全和运行寿命。因此需要一种既能吸收并防护聚变X射线、离子与碎片，又不影响聚变中子传输的防护方案。

美国圣地亚国家实验室(Sandia National Laboratory,SNL)提出了Z箍缩惯性约束聚变堆概念“Z-IFE”。其聚变靶室设计针对每脉冲3GJ、0.1Hz运行频率(10秒一次)的聚变放能，采用厚液遮蔽(Thick Liquid Curtain)防护方法，即高压喷射氟锂铍(Flibe)或锂铅(LiPb)液态熔盐(等效厚度约1m)作为防护手段，熔盐可以吸收中子、X射线等全部聚变产物及其携带的能量，既是冷却剂、同时也是氚燃料的增殖剂。

Z-IFE概念是纯聚变堆，利用厚液遮蔽(Thick Liquid Curtain)方法不仅吸收了X射线、离子与碎片，还吸收了几乎全部聚变高能中子，因此该聚变靶室设计不适用于Z-FFR(Z-FFR需要强聚变高能中子来驱动次临界裂变堆放能，而不是被冷却剂吸收)。

虽然也可以将厚液减薄、以减小对中子的影响，但熔盐冷却剂的循环系统本身就很十分复杂，而且布置在靶室内的熔盐喷射机构会在靶室内增加大量附属机构，这些机构在靶室极端严苛环境中的可靠性和长期运行寿命难以保证。

美国圣地亚国家实验室也提出了Z箍缩驱动嬗变堆概念“In-Zinerator”，用于嬗变现有裂变核电站产生的乏燃料。其聚变靶室设计针对每脉冲0.2GJ、0.1Hz运行频率(10秒一次)的聚变放能，聚变X射线、离子与碎片携带的能量比Z-IFE和Z-FFR小得多。In-Zinerator采用在靶室内充1000～2000Pa的Ar气/气溶胶以吸收聚变X射线的防护手段。

In-Zinerator每次聚变放能0.2GJ，聚变X射线携带的能量约为50MJ(1MJ＝10⁶J)、相对Z-IFE和Z-FFR小得多，因此采用简单的充Ar气/气溶胶方法可以吸收X射线。

而Z-FFR聚变X射线能量约为200MJ～600MJ，1000～2000Pa气溶胶不能完全吸收。提高充气压强和气溶胶浓度虽然可以吸收全部X射线能量，但同时也会在靶室内产生极强的冲击波，对第一壁安全造成严重威胁。

此外，In-Zinerator的气溶胶防护方案也不能很好的防护聚变碎片(Debris)。

发明内容

本发明的目的在于：一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的，既能吸收并防护聚变X射线、离子与碎片，又不影响聚变中子传输，同时有利于聚变反应剩余氘氚燃料回收的防护装置。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，该Z箍缩聚变裂变混合能源堆设有聚变靶心及其外围的面向等离子体第一壁，其特征在于：包括由聚变靶心向外至面向等离子体第一壁之间，依次设置的内气体氛围层、金属保护罩、外气体氛围层和第一壁防护层，所述内气体氛围层由填充于聚变靶心和所述金属防护罩之间的内层保护气体构成，所述外气体氛围层由填充于所述金属防护罩和第一壁防护层之间的外层保护气体构成，所述第一壁防护层设于所述面向等离子体第一壁内壁表面。