[发明专利]一种聚变‑裂变混合堆聚变靶室产物的处理装置

说明书

技术领域

本发明属于混合能源堆领域，具体涉及一种聚变-裂变混合堆聚变靶室产物的处理装置。

背景技术

随着化石燃料的短缺，以及环境污染等问题的日益严重，聚变能源逐渐引起了人们的重视。在聚变能源的发展过程中，Z箍缩驱动的聚变-裂变混合能源堆（Z-FFR）被认为是一种相对较易实现的途径。目前关于Z-FFR的设计中，氘氚燃料聚变的燃耗约为30%，以聚变功率为25MW、打靶频率为0.1Hz计算，每天剩余的氚为7.06g，这些氚随聚变反应产物及杂质一起被排出聚变靶室。由于氚具有放射性，而且是价格高昂的稀缺资源与战略资源，从安全、经济及环保的角度出发，必须对聚变靶室产物进行处理，将其中的氚回收。此外，Z-FFR实验堆中氚增殖比TBR约为1.15，为了实现氚的“自持”，也必须尽可能地提高余氚的回收率。

目前对于氘氚聚变反应产物处理方法的研究，主要集中在磁约束聚变反应装置（即Tokamak装置）领域。由于Z-FFR实验堆与Tokamak装置在驱动方式、聚变反应室氛围、氘氚聚变反应方式等方面都不同，导致其聚变反应产物成分及余氚浓度、分布形式等与Tokamak存在巨大差异，如Tokamak排灰气中剩余氘氚浓度为80%以上，均以气体形式存在；而Z-FFR实验堆聚变靶室产物中剩余氘氚浓度仅为10^-7以下，且其存在形式并不明确。因此Z-FFR实验堆的聚变靶室产物处理工艺路线与Tokamak具有明显差别，针对Tokamak的排灰气处理方法无法直接应用于Z-FFR，必须根据Z-FFR实验堆的靶室产物组成及特点发展新的技术方法与装置。

目前与聚变-裂变混合堆相关的研究报道对裂变燃料循环较为关注，而涉及聚变燃料循环的资料很少，其中Sandia实验室在2006年的设计报告提及聚变靶室产物的处理。该报告认为Z-FFR聚变靶室产物主要包含Ar、He和DT，其中DT的含量为37ppm。由于产物成分并不复杂，对应的处理流程也较为简单。首先通过一个特殊过滤器以除去RTL材料和靶丸材料，然后将气流降温至110℃，透过PRISM中空纤维膜将DT富集，之后在400℃左右被海绵钛吸气床吸收，饱和后将吸气床取下，于700℃再生，获得含有极少量He的DT气体，进入氢同位素分离单元。PRISM中空纤维膜分离的尾气是几乎不含DT的Ar气，直接返回到聚变反应室。

此报告中忽略了RTL材料、靶丸壳层材料、气溶胶等多种物质与剩余DT的相互作用，认为通过过滤的方式就可以将其从聚变靶室产物中去除，实际情况显然并非如此。聚变反应放出的高能量会使大量RTL材料气化或电离，冷却后形成的气溶胶（或固体小颗粒）具有极大的表面积，会将剩余氘氚燃料吸附在表面；在气化或电离的状态下，某些金属材料（聚变靶丸壳层材料或RTL材料）还可能与剩余氘氚发生化学吸附作用，结合成为氘氚化物。此外，聚变靶丸壳层中的高分子材料也可能与剩余氘氚结合，形成气体分子，进而被气溶胶吸附。这些作用都会影响剩余氘氚的存在形式，在设计混合堆聚变靶室产物处理流程及装置时不能被忽略。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种聚变-裂变混合堆聚变靶室产物的处理装置。

本发明的聚变-裂变混合堆聚变靶室产物的处理装置，主要包括聚变靶室、冷凝-气液分离单元、低温吸附单元、熔融-鼓泡单元、常温吸附单元、金属还原单元、钯膜分离单元、储气罐、高温过滤-浇注成型单元，聚变靶室中发生聚变反应以后，生成的产物分成A路、B路，A路进入冷凝-气液分离单元后分成A1路、A2路，A1路进入金属还原单元后与氢同位素分离系统相连，A2路通过低温吸附单元后分别与废气除氚系统、聚变靶室、金属还原单元相连；B路进入熔融-鼓泡单元后分成B1路、B2路，B1路经过常温吸附单元后分成B11路、B12路，B11路进入金属还原单元后与氢同位素分离系统相连，B12路进入钯膜分离单元后分别与氢同位素分离系统、储气罐相连，储气罐与熔融-鼓泡单元相连，B2路与高温过滤-浇注成型单元相连。

所述的聚变靶室中选用含氧化物的金属材料作为可回收传输线（RTL），含氧化物的金属材料为CuO/Cu、SnO₂/Sn、TiO₂/Ti、Fe₂O₃/Fe中的一种。

所述的冷凝-气液分离单元中冷凝的温度范围为0℃~5℃。

所述的低温吸附单元中填充的吸附剂为分子筛、硅胶、活性炭中的一种，解吸温度范围为-196℃~10℃。

所述的熔融-鼓泡单元的温度范围为800℃-1800℃。