CN103886921A - 一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于聚变裂变混合能源堆的包层设计领域，特别涉及一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统及其运行方法。本发明快裂变增殖堆为热裂变堆提供启动所需的初始易裂变燃料，热裂变堆的包层设计利用种子-包层的布置策略来提高系统的整体中子经济性，实现系统较高能量放大倍数，氚增殖及系统钍铀自持循环的目标。产能区装载有233U，具有良好的中子学性能，主要承担了系统能量放大、中子增殖及系统绝大部分233U增殖的目标，多于的中子进入产氚区用于氚增殖及系统部分233U增殖。该混合堆由于可以钍、铀自持循环，在运行的过程中，钍燃料转化为233U并逐渐烧掉，只需要逐步添加钍燃料，并去除产生的裂变产物，就可以长久高效稳定的运行。

Description

一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统及其运行方法
技术领域
本发明属于聚变裂变混合能源堆的包层设计领域，特别涉及一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统及其运行方法。
背景技术
目前地球上已探明的钍储量大约是铀储量的3倍，通过先进反应堆增殖或转换将232Th转换成233U,将极大地提高现有核燃料资源的储存量。核能界在20世纪60年代末提出了利用聚变-裂变混合堆来增殖核燃料的想法，即在聚变装置外面装载贫铀、天然铀或天然钍燃料作为增殖层，利用聚变反应产生的高能中子在增殖层内增殖核燃料，并进行产能输出，增殖后的燃料可供热中子堆使用，该技术是解决核能发展中核燃料短缺以及提前利用聚变能的一种有效方式。
国内外在混合堆内使用钍燃料上开展了许多的研究工作，如上世纪70年代美国麻省理工提出采用抑制裂变提高易裂变燃料转化率的钍基熔盐方案，土耳其Nigde和Gazi大学在ARIES-RS聚变对内使用固体钍燃料增殖233U的方案，日本大阪大学开展的混合堆钍铀燃料循环研究，以及近期美国德克萨斯大学聚变研究中心设计了一种混合堆与压水堆结合的方案来利用钍燃料，即将钍燃料在混合堆内增殖，233U含量积累达到一定富集度时置入压水堆来烧。在国内，从80年代开始中科院等离子所与西南物理研究院陆续设计了以增殖核燃料为目标的实验混合堆TETB，TETB-II，FEB。近期在国际热核聚变实验堆（ITER）计划专项的支持下，国内多家单位开展了以产能为主要目标的次临界能源堆物理设计及实验校验的研究，其中清华大学承担了含钍燃料次临界能源堆设计的研究课题。
含钍次临界包层设计面临的一个关键问题是：对于232Th燃料，其裂变反应的阈能高达1MeV，热中子吸收截面接近238U的3倍，也即232Th的中子增殖能力很弱，中子经济性较差。上面提到的几种钍基混合堆研究表明纯Th基混合堆增殖包层的能量放大倍数M较低，在2左右，要实现产能输出，实现聚变能的早期应用，将对聚变功率提出较大的挑战。对于常规临界反应堆而言，为高效的实现232Th燃料的使用，可采用较高富集度的核燃料（235U或239Pu），来获得整体中子经济性的提升，启动整个反应堆的运行。对于混合堆而言，则是需要在天然富集度燃料的条件下实现启动，满足系统产能，氚增殖及燃料增殖。
发明内容
本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提出一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统及其运行方法，快裂变增殖堆仅利用天然铀燃料就可实现启动，同时生产热裂变堆启动所需的初始233U燃料。另外，热裂变堆包层的优化设计，使包层较高能量放大倍数，氚自持与233U增殖的目标达到平衡，实现其内233U的高校利用，达到钍、铀燃料自持循环。
一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统，所述混合堆系统，由快裂变增殖堆与热裂变堆两种反应堆构成，二者均为包层结构，且在混合堆系统中呈均匀交叉排列相连设置；
其中所述快裂变增殖堆包层由内到外，依次设置燃料区、熔盐燃料增殖区和快裂变增殖堆包层屏蔽区并顺次相连；所述燃料区由多个天然铀燃料层和多个冷却剂层交替排列相连构成，其中所述燃料区最内层设置1层天然铀燃料层，最外层设置1层冷却剂层；所述燃料区通过其最外层冷却剂层与所述熔盐燃料增殖区相连；
所述热裂变堆包层由内到外，依次设置产能区，产氚区，纯钍熔盐区，热裂变堆包层屏蔽区并顺次相连；所述产能区由产能区熔盐燃料层和慢化剂层相连构成；所述产氚区由产氚区熔盐燃料层和慢化剂层相连构成；所述产能区通过其最外层慢化剂层与所述产氚区的产氚区熔盐燃料层相连；所述产氚区通过其最外层慢化剂层与所述纯钍熔盐区相连；所述纯钍熔盐区由纯钍熔盐燃料层构成；所述热裂变堆包层屏蔽区由热裂变堆包层屏蔽层构成；
所述燃料区及产能区内设置等离子体区。
所述燃料区中冷却剂层使用的冷却剂为FLiBe。
所述熔盐燃料增殖区使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
所述产能区使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4-233UF4。
所述慢化剂层使用的慢化剂为石墨。
所述产氚区使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
所述纯钍熔盐区使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统的运行方法，其具体方案如下：
快裂变增殖堆采用熔盐冷却天然铀快裂变驱动燃料区产生233U，热裂变堆利用产生的233U作为启动燃料；热裂变堆中产能区装载有233U，用于混合堆系统能量放大、中子增殖及混合堆系统233U增殖，多余的中子进入产氚区用于氚增殖及混合堆系统233U增殖；该混合堆系统能够钍、铀自持循环，在运行的过程中，钍燃料转化为233U并逐渐烧掉，逐步添加钍燃料，并去除产生的裂变产物，保持长期稳定的运行。
所述燃料区中冷却剂层2使用的冷却剂为FLiBe。
所述熔盐燃料增殖区使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
所述产能区使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4-233UF4。
所述慢化剂层使用的慢化剂为石墨。
所述产氚区使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
所述纯钍熔盐区使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
本发明的核心思想：第一，采用快裂变增殖堆与钍基熔盐热裂变堆联合的方案，快裂变增殖堆为热裂变堆提供其初始启动运行所需的易裂变燃料；第二，在钍基熔盐热裂变堆包层的设计中，由于热谱下6Li的热中子吸收截面达到940b，为达到产能，产氚与燃料自持的目标，采用了功能分区的布置策略，即产能与产氚分离、产氚与增殖233U分离。产能区含有启动的233U燃料，该区内不含6Li，其产能及233U增殖性能仅受其材料及几何特性约束正定的，富余的中子进入产氚区生产聚变堆所需的燃料，其他泄漏的中子进入外层纯钍熔盐区进行部分233U增值，此种设计下产能区在热谱下高的能量放大和中子增殖能力得到保留，系统获得较佳的整体中子经济性：混合堆系统在最大化可用中子的同时，合理地在决定包层性能的各主要核反应，如裂变反应、产氚反应和燃料增殖反应，进行分配。由此混合堆系统燃料增殖，能量输出和氚增殖目标间实现了一个的平衡。产能区作为混合堆系统初期一个驱动点火的种子，实现混合堆系统的启动。随着混合堆系统的运行，周期性地将各区产生的233U燃料置入产能区，并将熔盐区内的裂变产物去除，补充部分被烧掉的天然钍燃料，混合堆系统可实现长期较高能量放大倍数、钍铀自持循环的稳定运行。
本发明的具体内容：提出快裂变增殖堆与全钍熔盐燃料热裂变堆结合的方案，其中增殖堆为全熔盐堆提供启动所需的初始易裂变燃料，热裂变全熔盐堆的包层设计可以高效利用钍燃料并保持较高的能量放大倍数，快裂变增殖堆采用熔盐冷却天然铀快裂变区驱动熔盐燃料区产233U，热裂变堆利用其产生的233U作为启动燃料；热裂变堆利用了种子-包层的布置策略来提高混合堆系统的整体中子经济性，实现混合堆系统较高能量放大倍数，氚增殖及混合堆系统钍铀自持循环的目标。热裂变堆包层主要分为2个区域：产能区燃料装载有233U，具有良好的中子学性能，主要承担了混合堆系统能量放大、中子增殖及混合堆系统绝大部分233U增殖的目标，多于的中子进入产氚区用于氚增殖及混合堆系统部分233U增殖。该混合堆系统由于可以钍、铀自持循环，在运行的过程中，钍燃料转化为233U并逐渐烧掉，只需要逐步添加钍燃料，并去除产生的裂变产物，并将各区产生的233U燃料置入产能区，就可以长久高效稳定的运行。
所述的快裂变增殖堆，包层的布置采用天然铀燃料区、钍基熔盐燃料增殖区及屏蔽区的布置方式，燃料区采用FLiBe冷却，混合堆系统的产能和中子增殖主要靠天然铀内的238U快裂变实现，混合堆系统的产氚靠燃料区内的FLiBe冷却剂实现，额外的中子泄露到熔盐燃料区进行233U燃料增殖。
所述的快裂变增殖堆与热裂变堆联合的方案，快裂变增殖堆的钍基熔盐燃料区233U积累到一定量时，将其作为热裂变堆的启动燃料。
所述的快裂变增殖堆与热裂变堆联合的方案，快裂变增殖堆从外界获取天然铀燃料作为启动燃料，热裂变堆从外界获取天然钍燃料并由快裂变增殖堆提供233U燃料就可实现启动。
所述的热裂变堆，包层采用含233U熔盐燃料产能区、熔盐产氚区及屏蔽区的布置方式，熔盐燃料区采用石墨慢化，主要承担混合堆系统的产能、中子增殖和233U增殖的目标，富余的中子进入熔盐产氚区进行产氚和部分233U燃料增殖。
所述的热裂变堆，包层采用含233U熔盐燃料产能区、熔盐产氚区及屏蔽区的布置方式，优化了中子增殖和利用过程，提高混合堆系统的整体中子经济性。随着混合堆系统的运行，周期性地将各区产生的233U燃料置入产能区，并将熔盐内的裂变产物去除，补充部分被烧掉的天然钍燃料，混合堆系统可实现长期较高能量放大倍数、钍铀自持循环的稳定运行。
本发明的有益效果为：
（1）本发明的快裂变增殖堆与热裂变堆联合的方案，仅利用天然铀和天然钍燃料就可实现启动，而且具有很高燃料的利用率，这将极大地提高现有核燃料资源的储存量。
（2）本发明的热裂变钍基熔盐混合堆系统可以实现堆内233U燃烧，周期性地换料，将各区产生的233U燃料置入产能区，并将熔盐内的裂变产物去除，补充部分被烧掉的天然钍燃料，混合堆系统可实现长期较高能量放大倍数、钍铀自持循环的稳定运行。此时整个混合堆系统仅添加钍燃料就可以运行。
（3）熔盐具有低压高温且热导率和载热能力高的特点，使用熔盐冷却剂和熔盐燃料可以提高整个混合堆系统的热工性能。
附图说明
图1为混合堆系统结构示意图，采用简化的一维‘D’字形模型来模拟包层结构；
图2为快裂变增殖堆包层结构示意图；
图3为热裂变堆包层结构示意图；
图中标号：I-燃料区，II-熔盐燃料增殖区，III-快裂变增殖堆包层屏蔽区，1-天然铀燃料层，2-冷却剂层，3-快裂变增殖堆包层熔盐燃料层，4-快裂变增殖堆包层屏蔽层；IV-产能区，V-产氚区，VI-纯钍熔盐区，VII-热裂变堆包层屏蔽区，5-产能区熔盐燃料层，6-慢化剂层，7-产氚区熔盐燃料层，8-纯钍熔盐燃料层，9-热裂变堆包层屏蔽层。
具体实施方式
本发明提供了一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统及其运行方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统，所述混合堆系统，由快裂变增殖堆与热裂变堆两种反应堆构成，二者均为包层结构，且在混合堆系统中呈均匀交叉排列相连设置；
其中所述快裂变增殖堆包层由内到外，依次设置燃料区I、熔盐燃料增殖区II和快裂变增殖堆包层屏蔽区III并顺次相连；所述燃料区I由多个天然铀燃料层1和多个冷却剂层2交替排列相连构成，其中所述燃料区I最内层设置1层天然铀燃料层1，最外层设置1层冷却剂层2；所述燃料区I通过其最外层冷却剂层2与所述熔盐燃料增殖区II相连；
所述热裂变堆包层由内到外，依次设置产能区IV，产氚区V，纯钍熔盐区VI，热裂变堆包层屏蔽区VII并顺次相连；所述产能区IV由产能区熔盐燃料层5和慢化剂层6相连构成；所述产氚区V由产氚区熔盐燃料层7和慢化剂层6相连构成；所述产能区IV通过其最外层慢化剂层6与所述产氚区V的产氚区熔盐燃料层7相连；所述产氚区V通过其最外层慢化剂层6与所述纯钍熔盐区VI相连；所述纯钍熔盐区VI由纯钍熔盐燃料层8构成；所述热裂变堆包层屏蔽区VII由热裂变堆包层屏蔽层9构成；
所述燃料区I及产能区IV内设置等离子体区。
所述燃料区I中冷却剂层2使用的冷却剂为FLiBe。
所述熔盐燃料增殖区II使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
所述产能区IV使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4-233UF4。
所述慢化剂层6使用的慢化剂为石墨。
所述产氚区V使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
所述纯钍熔盐区VI使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统的运行方法，其具体方案如下：
快裂变增殖堆采用熔盐冷却天然铀快裂变驱动燃料区I产生233U，热裂变堆利用产生的233U作为启动燃料；热裂变堆中产能区IV装载有233U，用于混合堆系统能量放大、中子增殖及混合堆系统233U增殖，多余的中子进入产氚区V用于氚增殖及混合堆系统233U增殖；该混合堆系统能够钍、铀自持循环，在运行的过程中，钍燃料转化为233U并逐渐烧掉，逐步添加钍燃料，并去除产生的裂变产物，保持长期稳定的运行。
所述燃料区I中冷却剂层2使用的冷却剂为FLiBe。
所述熔盐燃料增殖区II使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
所述产能区IV使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4-233UF4。
所述慢化剂层6使用的慢化剂为石墨。
所述产氚区V使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
所述纯钍熔盐区VI使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
所述快裂变增殖堆与全钍熔盐燃料热裂变堆结合的方案，快裂变增殖堆为热裂变堆提供启动的233U燃料，其包层的布置采用天然铀燃料区、钍基熔盐燃料增殖区及屏蔽区的布置方式，固体燃料区I采用FLiBe冷却。热裂变堆为达到产能，产氚与燃料自持的目标，采用了功能分区的布置策略，即产能与产氚分离、产氚与增殖233U分离，热裂变堆经过周期性的换料实现长期较高能量放大倍数、钍铀自持燃料循环的稳定运行。
如图2和图3所示，本发明具体实现如下：
（1）所述的快裂变增殖堆，包层由三大区构成：燃料区I、熔盐燃料增殖区II和快裂变增殖堆包层屏蔽区III构成。固体燃料区I由9块厚度都为2cm的天然铀燃料片及间隔其中厚度为0.5cm的FLiBe冷却剂层2构成，由于采用慢化能力较弱的FLiBe，燃料区I的能量来源和中子增殖主要依靠天然铀块内238U的快裂变实现。另外由于混合堆系统内的中子平均能量较高，为实现产氚要求，FLiBe冷却剂层2内6Li的富集度（6Li在Li中占的质量比）达90%，燃料区I的FLiBe冷却剂承担了主要的产氚任务。燃料区I产生的额外中子进入熔盐燃料增殖区II进行233U燃料增殖，熔盐燃料增殖区II采用71%LiF+2%BeF2+27%ThF4的熔盐摩尔百分比组分，6Li的富集度较低为0.1%，熔盐燃料增殖区II的厚度为50cm。快裂变增殖堆包层屏蔽区III的厚度为45cm。包层的热功率设置3000MW，快裂变增殖堆在9块天然铀燃料装载的条件下初期启动时放大倍数可达9.0，快裂变增殖堆运行12年可产生8.5吨的233U燃料供给热裂变堆。
（2）所述的热裂变堆，包层的设置采用了功能分区的布置策略，即产能与产氚分离、产氚与增殖233U分离。产能区IV主要承担产能，中子增殖及233U燃料增殖的任务，熔盐的摩尔组分90%LiF+2%BeF2+4.5%(Th+233U)F4+3.5%ZrF4,233U的富集度为12%，该产能区IV的厚度为20cm，共装载8.2吨233U作为启动燃料。产氚区V熔盐燃料主要承担产氚功能，熔盐的摩尔组分为92.6%LiF+2%BeF2+0.4%ThF4+5%ZrF4，该区6Li的富集度为10%，熔盐厚度为30cm；纯钍熔盐区VI主要吸收泄露的中子用于产氚和增殖233U燃料，熔盐的摩尔组分为71%LiF+2%BeF2+27%ThF4，6Li的富集度为10%，熔盐厚度为54cm。在产能区IV、产氚区V和纯钍熔盐区VI之间分别置入石墨慢化剂层6，起到慢化中子的作用。包层启动的放大倍数达到11，产氚率达1.13，燃料增殖比达1.02。
（3）所述的热裂变堆，由于233U的先驱核233Pa的半衰期达27天，且产能区IV内的233U装量会随着产能释放而在初期逐渐下降，混合堆系统的产氚率也会下降，当混合堆系统运行一段时间后将各区内产生的233U置入第一熔盐区，并清除各区产生的裂变产物，补充烧掉的钍燃料，混合堆系统又可以恢复到初始状态，混合堆系统在周期性换料的情况下实现长期较高能量放大倍数、氚自持及钍铀自持循环的稳定运行。

Claims (14)

1.一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统，其特征在于：所述混合堆系统，由快裂变增殖堆与热裂变堆两种反应堆构成，二者均为包层结构，且在混合堆系统中呈均匀交叉排列相连设置；
其中所述快裂变增殖堆包层由内到外，依次设置燃料区（I）、熔盐燃料增殖区（II）和快裂变增殖堆包层屏蔽区（III）并顺次相连；所述燃料区（I）由多个天然铀燃料层（1）和多个冷却剂层（2）交替排列相连构成，其中所述燃料区（I）最内层设置1层天然铀燃料层（1），最外层设置1层冷却剂层（2）；所述燃料区（I）通过其最外层冷却剂层（2）与所述熔盐燃料增殖区（II）相连；
所述热裂变堆包层由内到外，依次设置产能区（IV），产氚区（V），纯钍熔盐区（VI），热裂变堆包层屏蔽区（VII）并顺次相连；所述产能区（IV）由产能区熔盐燃料层（5）和慢化剂层（6）相连构成；所述产氚区（V）由产氚区熔盐燃料层（7）和慢化剂层（6）相连构成；所述产能区（IV）通过其最外层慢化剂层（6）与所述产氚区（V）的产氚区熔盐燃料层（7）相连；所述产氚区（V）通过其最外层慢化剂层（6）与所述纯钍熔盐区（VI）相连；所述纯钍熔盐区（VI）由纯钍熔盐燃料层（8）构成；所述热裂变堆包层屏蔽区（VII）由热裂变堆包层屏蔽层（9）构成；
所述燃料区（I）及产能区（IV）内设置等离子体区。
2.根据权利要求1所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统，其特征在于：所述燃料区（I）中冷却剂层（2）使用的冷却剂为FliBe。
3.根据权利要求1所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统，其特征在于：所述熔盐燃料增殖区（II）使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
4.根据权利要求1所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统，其特征在于：所述产能区（IV）使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4-233UF4。
5.根据权利要求1所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统，其特征在于：所述慢化剂层（6）使用的慢化剂为石墨。
6.根据权利要求1所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统，其特征在于：所述产氚区（V）使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
7.根据权利要求1所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统，其特征在于：所述纯钍熔盐区（VI）使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
8.如权利要求1所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统的运行方法，其特征在于，具体方案如下：
快裂变增殖堆采用熔盐冷却天然铀快裂变驱动燃料区（I）产生233U，热裂变堆利用产生的233U作为启动燃料；热裂变堆中产能区（IV）装载有233U，用于混合堆系统能量放大、中子增殖及混合堆系统233U增殖，多余的中子进入产氚区（V）用于氚增殖及混合堆系统233U增殖；该混合堆系统能够钍、铀自持循环，在运行的过程中，钍燃料转化为233U并逐渐烧掉，逐步添加钍燃料，并去除产生的裂变产物，保持长期稳定的运行。
9.根据权利要求8所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统的运行方法，其特征在于：所述燃料区（I）中冷却剂层2使用的冷却剂为FliBe。
10.根据权利要求8所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统的运行方法，其特征在于：所述熔盐燃料增殖区（II）使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
11.根据权利要求8所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统的运行方法，其特征在于：所述产能区（IV）使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4-233UF4。
12.根据权利要求8所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统的运行方法，其特征在于：所述慢化剂层（6）使用的慢化剂为石墨。
13.根据权利要求8所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统的运行方法，其特征在于：所述产氚区（V）使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
14.根据权利要求8所述的一种Th-U自持循环全熔盐燃料混合堆系统的运行方法，其特征在于：所述纯钍熔盐区（VI）使用的熔盐燃料为LiF-BeF2-ThF4。
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