聚變-裂變混合堆調(diào)研報(bào)告

1、2014年10月17日,聚變-裂變混合堆調(diào)研,嚴(yán)仕先,混合堆簡(jiǎn)介,利用聚變反應(yīng)堆芯部產(chǎn)生的大量中子在含有可裂變物質(zhì)的聚變堆外側(cè)裂變包裹層中引起裂變、生產(chǎn)易裂變?nèi)剂匣蜴幼冮L(zhǎng)壽命放射性核廢物并獲得能量的裝置。由于中子由聚變核心提供，反應(yīng)堆不需要達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也能夠持續(xù)運(yùn)行，也就是裂變部分不臨界聚變堆芯產(chǎn)生的超快中子(14 .05 MeV)如果在核包層僅用于回收氚之外, 中子便被減速而回收熱能, 這便是純聚變堆。但對(duì)于核能的利用來(lái)說(shuō), 存在

2、著巨大的浪費(fèi)。,混合堆簡(jiǎn)介,人們考慮在聚變堆芯之外的核包層中加以天然的釷(232 Th)或天然鈾的主體238 U , 則為混合堆, 使快中子得到充分的利用:1)聚變快中子直接使238 U 裂變, 產(chǎn)生能量發(fā)電與供熱以及中子倍增。2)生產(chǎn)裂變核燃料233 U 或239Pu3)作為倍增的中子源可以生產(chǎn)氚以及嬗變“燒盡” 裂變核電站的高放射性核廢料。氚的半衰期為12 .3年，是必需不斷補(bǔ)充的核武庫(kù)中氫彈的原料。此前的高放射性核廢料均置于

3、深埋或封存留待處理狀態(tài)。,混合堆簡(jiǎn)介,混合堆不論是以增殖裂變?nèi)剂蠟橹? 還是以發(fā)電為主(這可以通過(guò)不同的包層配方來(lái)實(shí)現(xiàn)), 總可以使聚變功率放大20 倍以上?；旌隙寻鼘赢a(chǎn)生裂變能越多,包層能量倍增因子越大,對(duì)聚變驅(qū)動(dòng)器的要求可以降低得越多,有利于提前實(shí)現(xiàn)聚變能利用. 據(jù)估計(jì)混合堆可以比純聚變堆提前20年左右。國(guó)際上由于發(fā)現(xiàn)純聚變堆難度較大,建成時(shí)間可能比預(yù)想的要推遲.因此,以混合堆作為中間階段的呼聲越來(lái)越高.前蘇聯(lián)把混合堆作為聚變能

4、利用的第一階段已是既定方針。,混合堆相比快堆的優(yōu)勢(shì),二者都是增殖堆混合堆增殖能力比快堆大得多快堆凈增殖比較小,倍增時(shí)間長(zhǎng)，核燃料增殖能力差?；旌隙巡皇芄I(yè)钚積累限制快堆電站建設(shè)受初始裝料工業(yè)懷限制，而混合堆沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，一旦技術(shù)成熟,經(jīng)濟(jì)力量許可，就可加速發(fā)展?；旌隙?壓水堆共生系統(tǒng)的電能價(jià)格比快堆-壓水堆共生系統(tǒng)便宜混合堆-壓水堆共生系統(tǒng)對(duì)鈾資源消耗比快堆-壓水堆共生系統(tǒng)低混合堆-壓水堆共生系統(tǒng),對(duì)于釷資源利用比較經(jīng)濟(jì),

5、混合堆相比快堆的優(yōu)勢(shì),混合堆比快堆安全第一，混合堆是一個(gè)次臨界裝置；第二，堆后熱問(wèn)題比快堆少其他優(yōu)點(diǎn)混合堆還有一系列優(yōu)點(diǎn)是快堆所不具備的。如混合堆可生產(chǎn)同位素純度達(dá)95.5%以上的P-239；可以建成造氚堆；有可能成為最終處置長(zhǎng)壽命放射性廢物的途徑；可以建成1000℃以上高溫?zé)嵩?，代替高溫氣冷堆。用于煤的氣化，氫的生產(chǎn)，甲烷、甲醇、汽油的有機(jī)合成?；旌隙堰€有另一個(gè)重要作用，它作為過(guò)渡到純聚變堆的中間階段,可作為純聚變開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)堆

6、，考驗(yàn)材料與設(shè)備，積累設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。而快堆作為一種過(guò)渡堆是完全孤立的，對(duì)聚變發(fā)展沒(méi)有直接關(guān)系。,國(guó)內(nèi)外混合堆型,SABR堆,SUBCRITICAL ADVANCED BURNER REACTOR,SABR裂變包層,SABR裂變包層,燃料橫截面圖,燃料布置圖,SABR裂變?nèi)剂习糨S向穩(wěn)態(tài)溫度分布,SABR裂變?nèi)剂习糨S向穩(wěn)態(tài)功率分布,慣性約束核聚變-裂變混合堆,裂變?nèi)剂习?鋯合金包裹的錒系元素棒(Np, Am, Cm …),鈹包裹的

7、Li6棒,激光,靶核,冷卻劑 (液態(tài)Na),中子反射層(Ni),混合堆的安全性,由于混合堆還處于概念設(shè)計(jì)階段, 因而對(duì)其安全性, 人們最關(guān)心的是它對(duì)公眾的潛在危險(xiǎn)性。而其最主要潛在危害之一就是它所產(chǎn)生的核廢物及其放射性的危害① 混合堆為次臨界堆，具有較好的固有安全性；② 從產(chǎn)生的核廢物及放射性看, 混合堆與裂變堆相比, 并不存在特殊安全問(wèn)題, 相反,經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的抑制裂變混合堆更安全；③ 正常運(yùn)行時(shí), 混合堆包層放射性與同等熱功率

8、裂變動(dòng)力堆相近；④ 同等P u 產(chǎn)量下, 混合堆所產(chǎn)生的237N p 為快堆的4 倍左右, 但所產(chǎn)生的241A m 及244C m則比快堆少得多。,混合堆事故分析,包層失去流量屬于高頻率、后果嚴(yán)重的事件, 是混堆的主要風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)中, 應(yīng)該努力降低該事件發(fā)生的頻率和減輕事件的后果, 盡量提高主循環(huán)泵系統(tǒng)的可靠性, 保證各應(yīng)急安全系統(tǒng)在事故時(shí)有足夠高的可用度。等離子體解體導(dǎo)致第一壁失效的頻率是初因事件中最高的, 盡管其后果并不嚴(yán)重,但

9、影響混合堆的正常運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量控制等離子體運(yùn)行狀態(tài), 降低其解體的可能性;選取性能良好的材料做第一壁, 降低其失效率。從各安全系統(tǒng)的重要度考慮, 最重要的是緊急電源系統(tǒng), 它影響著其余一系列系統(tǒng)的功能。因此, 在設(shè)計(jì)中應(yīng)保證該系統(tǒng)具有高度的可靠性。,停堆后放射性活度及余熱,混合堆與輕水堆組合系統(tǒng),混合堆與輕水堆組合系統(tǒng)是用混合堆生產(chǎn)核燃料和能量，混合堆生產(chǎn)核燃料支持衛(wèi)星堆(如壓水堆)消耗核燃料，生產(chǎn)能量M 混合堆可設(shè)計(jì)為以生產(chǎn)能

10、量為主，也可設(shè)計(jì)為以生產(chǎn)核燃料為主，或者二者兼具。,不同類型的混合堆、衛(wèi)星堆組合系統(tǒng)的總功率,混合堆優(yōu)勢(shì),降低了對(duì)聚變堆芯的要求，緩解目前面臨的材料壓力；結(jié)合了聚變堆中子多和裂變堆能量富集的優(yōu)點(diǎn)；作為次臨界堆，有可能更加安全；裂變堆有著成熟的技術(shù)，增大了提前應(yīng)用聚變能的可能性；能有有效的進(jìn)行燃料的增殖和長(zhǎng)壽期放射性核素處理。相比快堆的增殖來(lái)說(shuō):快堆需要更大的初裝料，混合堆可以使用天然鈾或者乏燃料；快堆倍增時(shí)間較長(zhǎng)，而一座

11、混合堆可以支持幾倍于其功率的壓水堆或者快堆。,混合堆研究遇到的問(wèn)題,先進(jìn)核能開(kāi)發(fā)面臨的共性問(wèn)題—新材料開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證平臺(tái)建立、和工程問(wèn)題:雖然降低了材料需求，但是現(xiàn)有材料依然無(wú)法滿足需求；與裂變反應(yīng)堆相比，混合堆裂變包層的功率分布的梯度大得多，功率分布的不均勻，給混合堆的運(yùn)行造成了困難；現(xiàn)階段還沒(méi)有廉價(jià)且運(yùn)行穩(wěn)定的聚變中子源；強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中對(duì)冷卻劑的選擇有著不小的限制。,,感謝聆聽(tīng)，敬請(qǐng)?zhí)釂?wèn)!,"Energy may we