[实用新型]一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室

说明书

技术领域

本实用新型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聚变靶室。

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，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。当前主要通过在靶室内部填充液态或气体/气溶胶来吸收聚变X射线、离子和碎片能量以实现靶室安全防护。这些填充物吸收大量能量后，温度急剧升高、对靶室第一壁产生热力学冲击，同时产生强冲击波(即辐射驱动冲击波)、对靶室结构产生强的力学冲击。因此靶室必须能够同时承受周期性的热力学冲击和力学冲击。

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，通过高压喷射氟锂铍(Flibe)或锂铅(LiPb)液态熔盐(等效厚度约1m)吸收全部聚变产物。靶室为球形，采用F82H低活化钢材料，半径6.5m、壁厚35cm，主要作为结构件、承担结构支撑和辐射屏蔽功能。

Z-IFE概念是纯聚变堆，利用厚液遮蔽(Thick Liquid Curtain)方法吸收包括几乎全部聚变高能中子在内的聚变放能，靶室第一壁面临较小的热冲击问题。但Z-FFR不可能采用厚液遮蔽(Thick Liquid Curtain)防护方法，因此热冲击问题不可避免，Z-IFE的靶室设计不能解决靶室第一壁的耐热力学冲击问题。

同时，Z-IFE的靶室设计采用35cm厚的低活化钢作为第一壁，具有相当高的结构强度，同样的力学冲击在该靶室结构中引起的应力很低，因而安全性很好。但这样的厚度对高能聚变中子的吸收非常强，由于Z-FFR需要聚变高能中子来驱动次临界裂变堆放能、而不是被靶室第一壁吸收，因此Z-IFE的靶室设计无法保证Z-FFR的核性能。

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，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。其靶室为圆柱体，采用镍基高温合金材料，半径2m、高5m，第一壁厚5cm、对聚变中子吸收较强，但由于其外部裂变包层反应性较高，穿过第一壁的聚变中子仍能满足该系统的总体要求。

In-Zinerator主要目的是嬗变现有裂变核电站产生的乏燃料，其外部裂变包层反应性参数k_eff～0.97。因此在聚变靶室设计中，允许采用较厚(5cm)的第一壁以提高结构强度裕量，即使其吸收了部分聚变中子，剩余穿过第一壁的聚变中子仍能满足要求。而Z-FFR次临界裂变堆采用天然铀作为燃料，其反应性参数较低(k_eff<0.7)，确保其具有天然的安全性和经济性。而这种设计则要求较强的聚变中子来驱动，因此对第一壁厚度提出了苛刻的要求，5cm厚镍合金将对聚变中子造成无法接受的影响。

同时，In-Zinerator的聚变放能只有每脉冲0.2GJ，因此采用半径2m的小靶室、充气氛围防护就可以满足靶室耐热烧蚀和热力学冲击要求。而Z-FFR聚变放能超过每脉冲1～3GJ、比In-Zinerator强得多，因此In-Zinerator的小半径靶室不能解决Z-FFR面临的耐热烧蚀和热力学冲击要求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：针对现有技术的缺陷，提出了一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室，该靶室设计能够同时应对热力学冲击和力学冲击，并满足Z-FFR中子物理学性能要求。