核聚變與等離子體物理-混合堆

1、聚變-裂變混合堆,核能的發(fā)展主要有以下兩個(gè)關(guān)鍵問題：核燃料資源的利用率問題。目前以熱中子反應(yīng)堆占絕對主體的核電結(jié)構(gòu)對鈾資源的利用效率僅有1%，現(xiàn)在提出的快中子增殖堆，能把利用效率提高到10%以上，仍有90%左右的鈾資源得不到利用。放射性廢物的處置問題。目前仍無一個(gè)成熟的技術(shù)路線可以較好的解決乏燃料的處置這一問題。,聚變堆芯，外邊圍以由中子增殖材料A（如Be）、可轉(zhuǎn)換材料Fb（如238U和232Th）、造氚材料（Li）、冷卻劑以及其它

2、結(jié)構(gòu)材料所組成的包層，用以生產(chǎn)聚變堆芯所需的氚和伴隨裂變堆所需的裂變核燃料Fi（如239Pu，233U），同時(shí)產(chǎn)生相當(dāng)?shù)碾姽β蔖e。,一、系統(tǒng)的描述,聚變-裂變混合核能源利用目前接近實(shí)現(xiàn)的聚變裝置作為中子源：驅(qū)動次臨界包層，實(shí)現(xiàn)直接燃燒可裂變核素（如238U，232Th）、增殖核燃料（238U到239Pu，232Th到233U）、嬗變長壽命錒系元素，效率非常高，有望成為解決上述核電發(fā)展中存在的兩個(gè)關(guān)鍵問題的可能技術(shù)路線。且提高氚生產(chǎn)

3、的效率，實(shí)現(xiàn)受控聚變裝置的氚自持，為相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供一個(gè)較為理想的實(shí)驗(yàn)平臺，則是目前其它技術(shù)路線所不具備的優(yōu)點(diǎn)。,1953年，美國勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的鮑威爾，就提出了聚變－裂變混合堆的建議。1970-1972年間，美國基于次臨界快裂變包層混合堆（磁鏡型）和熱裂變包層混合堆（托卡馬克型）的工作完善了混合堆的基本概念。自此，混合堆概念設(shè)計(jì)得到了蓬勃開展。,二、提出,三、幾種典型的混合堆概念,1、以磁約束Tokamak為驅(qū)動源

4、的混合堆,西南物理研究所設(shè)計(jì)的兩種混合堆,混合增殖堆FEB-E,混合嬗變堆FDTR-ST,中科院等離子體物理研究所設(shè)計(jì)的混合堆,美國喬治亞理工學(xué)院的SABR,這類混合堆的典型特點(diǎn)是：以增殖核燃料或嬗變次錒系（MA）元素為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)；2）冷卻方式為雙冷，裂變（嬗變）增殖區(qū)為液態(tài)金屬冷卻，產(chǎn)氚區(qū)由氦氣冷卻。 這類混合堆都能滿足聚變堆氚自持的要求，氚增殖比在1.1以上，根據(jù)聚變堆的功率水平，能量放大倍數(shù)從10倍左右到100倍左右

5、不等。,2、以Z箍縮電磁內(nèi)爆慣性約束聚變堆為驅(qū)動源的混合堆,美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)室（SNL）和威斯康辛大學(xué)聯(lián)合提出的In-Zinerator,該堆同樣采用了兩種冷卻方式，液態(tài)金屬和氣冷，亦是以嬗變MA為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。 Z箍縮的運(yùn)行方式是脈沖式的，驅(qū)動的次臨界堆的能量釋放方式也是脈沖式的，而且脈沖既窄又高。在最初的50ns時(shí)，功率達(dá)到155~174TW，全部能量將在0.2ms內(nèi)釋放出來，如何將這種脈沖的能量釋放轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的能量安全輸

6、出，是一個(gè)需要研究的工程問題。,3、以激光慣性約束聚變堆為驅(qū)動源的混合堆,美國的勞倫斯-利佛莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）提出了基于國家點(diǎn)火裝置NIF的混合堆概念LIFE,4、現(xiàn)有混合堆概念設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和難點(diǎn) 綜合上述三類采用不同聚變驅(qū)動源的混合堆概念設(shè)計(jì)，其主要的優(yōu)點(diǎn)包括：1. 采用次臨界堆包層后，混合堆可實(shí)現(xiàn)具有商業(yè)規(guī)模的能量輸出，與現(xiàn)有壓水堆/沸水堆水平相當(dāng)；2. 采用次臨界堆包層后，容易實(shí)現(xiàn)聚變堆芯的氚自持；其主要難點(diǎn)在

7、于： （1）采用液態(tài)金屬冷卻的設(shè)計(jì)都面臨一些問題； （2） 脈沖源驅(qū)動的次臨界堆要解決穩(wěn)定功率輸出的問題； （3） 燃料后處理涉及同位素分離。,四、聚變-裂變混合能源堆概念,反應(yīng)堆廠房和冷卻方案示意圖,混合能源堆,次臨界堆包層局部放大,候選燃料,混合能源堆最主要的特點(diǎn)是：1. 采用高溫高壓水作為冷卻劑和慢化劑，可裂變核素轉(zhuǎn)換為易裂變核素之后就地燃燒；2. 卸料的后處理不涉及同位素分離；,混合能源堆采用與現(xiàn)在比較成熟的壓水堆/沸

8、水堆技術(shù)相似的高溫高壓水冷卻方式，有利于利用現(xiàn)有技術(shù)加速實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)可行性明顯高于傳統(tǒng)的混合堆概念。同時(shí)，水還具有一定的慢化作用，有利于將238U或232Th轉(zhuǎn)換得到的239Pu和233U就地裂變，增殖燃料不是混合能源堆的設(shè)計(jì)目標(biāo)，提高鈾資源利用率，用于生產(chǎn)能源才是其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)。,利用水的慢化作用，泄漏到產(chǎn)氚區(qū)的中子能譜比傳統(tǒng)混合堆要軟，更有利于6Li的 (n, T) 反應(yīng)，對簡化產(chǎn)氚區(qū)設(shè)計(jì)也是有利的?；旌夏茉炊芽紤]采用合金型（天

9、然鈾/貧鈾/熱中子反應(yīng)堆卸出的乏燃料）燃料，前端不涉及鈾濃縮，后端則有利于簡化卸料的后處理，目前設(shè)計(jì)的后處理工藝只設(shè)計(jì)有害裂變氣體的驅(qū)除而不涉及同位素分離，不存在將多余的钚提取出來的可能。,五、混合核能源對我國核能發(fā)展戰(zhàn)略的意義,1、對裂變核能的意義 目前的研究分析表明，經(jīng)過初步優(yōu)化設(shè)計(jì)的混合能源堆只需在初次啟動時(shí)裝入部分天然鈾或乏燃料，燃料的主要成分仍以貧鈾為主，即可實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行，經(jīng)過5年左右滿功率運(yùn)行后，卸出的燃料組件在存放

10、一段時(shí)間，再經(jīng)過簡化的后處理和再制造流程后很快可以回到堆中或用于新堆中繼續(xù)使用，其MA核素含量要遠(yuǎn)低于普通熱中子反應(yīng)堆的乏燃料，對于解決核能發(fā)展的兩個(gè)關(guān)鍵問題非常有利。,2、對聚變核能的意義 受控聚變技術(shù)的發(fā)展受到理論和工程技術(shù)的限制，要想在數(shù)十年的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)模的發(fā)電能力還存在很大的困難。而ITER的功率不過500MW，采用混合堆技術(shù)，可在ITER或更小規(guī)模的聚變裝置上實(shí)現(xiàn)商用規(guī)模的能量輸出，可實(shí)現(xiàn)聚變能早日服務(wù)于人類生產(chǎn)和