CN104134470B - 用于z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，属于核反应堆装置领域，该Z箍缩聚变裂变混合能源堆设有聚变靶心及其外围的面向等离子体第一壁，其特征在于：包括由聚变靶心向外至面向等离子体第一壁之间，依次设置的内气体氛围层、金属保护罩、外气体氛围层和第一壁防护层，所述内气体氛围层由填充于聚变靶心和所述金属防护罩之间的内层保护气体构成，所述外气体氛围层由填充于所述金属防护罩和第一壁防护层之间的外层保护气体构成，所述第一壁防护层设于所述面向等离子体第一壁内壁表面。本发明是一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的，既能吸收并防护聚变X射线、离子与碎片，又不影响聚变中子传输，同时有利于聚变反应剩余氘氚燃料回收的防护装置。
Description
技术领域
本发明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防护装置。
背景技术
Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-Pinch-DrivenFusion-FissionHybridPowerReactor,Z-FFR)利用Z箍缩驱动惯性约束聚变(InertialConfinementFusion,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(FusionChamber)为聚变的产生提供必要的环境，同时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(FirstWall,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。因此需要一种既能吸收并防护聚变X射线、离子与碎片，又不影响聚变中子传输的防护方案。
美国圣地亚国家实验室(SandiaNationalLaboratory,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(ThickLiquidCurtain)防护方法，即高压喷射氟锂铍(Flibe)或锂铅(LiPb)液态熔盐(等效厚度约1m)作为防护手段，熔盐可以吸收中子、X射线等全部聚变产物及其携带的能量，既是冷却剂、同时也是氚燃料的增殖剂。
Z-IFE概念是纯聚变堆，利用厚液遮蔽(ThickLiquidCurtain)方法不仅吸收了X射线、离子与碎片，还吸收了几乎全部聚变高能中子，因此该聚变靶室设计不适用于Z-FFR(Z-FFR需要强聚变高能中子来驱动次临界裂变堆放能，而不是被冷却剂吸收)。
虽然也可以将厚液减薄、以减小对中子的影响，但熔盐冷却剂的循环系统本身就很十分复杂，而且布置在靶室内的熔盐喷射机构会在靶室内增加大量附属机构，这些机构在靶室极端严苛环境中的可靠性和长期运行寿命难以保证。
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，聚变X射线、离子与碎片携带的能量比Z-IFE和Z-FFR小得多。In-Zinerator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。
In-Zinerator每次聚变放能0.2GJ，聚变X射线携带的能量约为50MJ(1MJ＝106J)、相对Z-IFE和Z-FFR小得多，因此采用简单的充Ar气/气溶胶方法可以吸收X射线。
而Z-FFR聚变X射线能量约为200MJ～600MJ，1000～2000Pa气溶胶不能完全吸收。提高充气压强和气溶胶浓度虽然可以吸收全部X射线能量，但同时也会在靶室内产生极强的冲击波，对第一壁安全造成严重威胁。
此外，In-Zinerator的气溶胶防护方案也不能很好的防护聚变碎片(Debris)。
发明内容
本发明的目的在于：一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的，既能吸收并防护聚变X射线、离子与碎片，又不影响聚变中子传输，同时有利于聚变反应剩余氘氚燃料回收的防护装置。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，该Z箍缩聚变裂变混合能源堆设有聚变靶心及其外围的面向等离子体第一壁，其特征在于：包括由聚变靶心向外至面向等离子体第一壁之间，依次设置的内气体氛围层、金属保护罩、外气体氛围层和第一壁防护层，所述内气体氛围层由填充于聚变靶心和所述金属防护罩之间的内层保护气体构成，所述外气体氛围层由填充于所述金属防护罩和第一壁防护层之间的外层保护气体构成，所述第一壁防护层设于所述面向等离子体第一壁内壁表面。
上述方案中，金属保护罩主要承担聚变动能碎片的防护任务，同时也提供部分聚变X射线和离子防护功能。聚变反应产物包括强X射线、离子和动能碎片等，单一采用气体氛围可防护聚变X射线和离子，但无法解决聚变动能碎片的防护问题，因此提出了金属保护罩防护设计。主要作用过程：聚变反应产生的大量聚变离子和碎片被金属保护罩阻止，随后连同金属保护罩被聚变反应产生的强X射线气化、并向面向等离子体第一壁运动，运动过程中气化产物被外气体氛围层缓冲、从而降温并减速，最终形成金属微粒被外气体氛围层载出并在后续过程中分离处理。金属保护罩设计解决了聚变动能碎片的防护难题，通过计算分析手段合理调节金属保护罩的材料、半径、厚度等参数，可以实现既阻止聚变动能碎片，又能够被强X射线完全气化、避免形成新的碎片撞击第一壁。
金属保护罩将靶室内的气体氛围分隔为两部分：内气体氛围层提供Z箍缩聚变负载和聚变靶所需环境，并略微调节金属保护罩气化时间；外气体氛围层提供防护功能，吸收主要的聚变X射线和离子能量，同时作为动能冲击的缓冲。作用过程：被金属保护罩吸收一部分后的剩余X射线继续被外气体氛围层吸收，其内外层保护气体升温膨胀并形成冲击波向面向等离子体第一壁运动。同时，被气化的聚变离子、碎片以及金属保护罩在外气体氛围层中减速并逐渐冷却，连同外层保护气体一起冲击面向等离子体第一壁。在此过程中，金属保护罩和外气体氛围层吸收了99％以上的聚变X射线、离子和碎片能量，并将这些有害能量对面向等离子体第一壁的冲击时间尺度由微秒扩展到数十毫秒，大幅减低了对面向等离子体第一壁的烧蚀和冲击强度，提高了Z-FFR的安全性。
在最后环节的第一壁防护层采用耐高温钨或钼合金涂层，提高了面向等离子体第一壁的耐热烧蚀和冲击性能，进一步确保面向等离子体第一壁的安全可靠。
作为选择，所述内层保护气体和/或外层保护气体为原子序数≥18的惰性气体。
上述方案中，内层保护气体和外层保护气体中填充的气态介质可相同也可不同。
作为选择，所述内层保护气体和/或外层保护气体为由Ar、Xe、N2和空气中的一种或多种气体组成的混合气体，或者其与水液滴，Al或Fe金属微粒构成的气溶胶。
所述气溶胶(aerosol)，是由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点，其大小为0.001～100微米，分散介质为气体。
作为更进一步选择，所述内层保护气体为压强10～1000Pa的Ar气，外层保护气体为压强500Pa～2000Pa的的Ar气。
上述方案中，采用氩气，及其特定压强，足以吸收99.9％以上的聚变X射线能量，又不会产生较强的冲击波撞击面向等离子体第一壁，同时兼顾了X射线能量吸收和冲击强度控制两方面的苛刻要求。如采用比氩气原子序数更高的Xe气，其压强可略微降低。如采用N2或空气，其初始压强需要进一步提高。
作为选择，所述金属保护罩为金属球壳结构，由原子序数12～26、结构强度大于200MPa，且能被聚变靶心产生的聚变X射线气化的金属或者其合金制成。
所述合金，是由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。组成合金的金属可以全部或部分由前述原子序数12～26、结构强度大于200MPa，且能被聚变靶心产生的聚变X射线气化的金属或者其合金制成。
作为进一步选择，所述金属保护罩由碳钢、Al、Al基合金、或Ti基合金制成。
所述碳钢主要指碳的质量分数小于2.11％的铁碳合金。有时也称为普碳钢或碳素钢。
所述Al基合金可选Al75/Si25合金、Al95/Mg5合金。
所述Ti基合金(Titaniumbasealloys(Ti-based))可选TiAl合金、Ti3Al合金。
作为更进一步选择，所述金属保护罩由Al或碳钢制成，半径25～100cm、壁厚0.2～1.0mm。
上述方案中，采用碳钢，并特定限定尺寸，既可以阻止聚变动能碎片，又可以被聚变X射线完全气化，最终实现聚变碎片防护目的。
作为选择，所述第一壁防护层由耐1300℃温度以上、耐1MPa冲击强度以上的材料制成。
作为进一步选择，所述第一壁防护层由钨、钼合金、钨合金或SiC陶瓷制成。
所述钨合金可选W-1％La2O3合金、W-TiC合金、W-5～25％Re合金、W-Cu功能梯度材料等具有较高力学强度的钨合金材料。
所述钼合金可选Mo-Ti-Zr合金和Mo-W合金等具有较高力学强度和再结晶温度的钼合金材料。
作为更进一步选择，所述第一壁防护层为面向等离子体第一壁内壁表面的钨涂层，涂层厚0.1mm～1.0mm。
上述方案中，采用钨，及其特定厚度，既可以完全阻止X射线，又具有必要的结构强度，提高了面向等离子体第一壁的安全性和可靠性。
本发明前述各方案中所涉及各种材料均可市售购得，实施时可根据需要选择组合。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案：如本发明，各选择即可和其他选择任意组合，本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明涉及缩略语和关键术语定义：
Z箍缩——利用大驱动电流产生的超强电磁力驱动负载等离子体内爆、从而实现聚变的一种技术途径；
Z-FFR——Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-Pinch-DrivenFusion-FissionHybridPowerReactor)，彭先觉院士和中国工程物理研究院提出的利用Z箍缩聚变中子驱动次临界裂变堆从而产生能量的能源堆概念；
ICF——惯性约束聚变(InertialConfinementFusion)；
FW——面向等离子体第一壁(FirstWall)；
Z-IFE——美国圣地亚国家实验室提出的Z箍缩惯性约束聚变能源概念，是纯聚变发电能源堆；
In-Zinerator——美国圣地亚国家实验室提出的Z箍缩驱动嬗变堆概念，用于嬗变现有裂变核电站产生的乏燃料。
本发明的有益效果：本发明的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变X射线、离子与碎片的综合防护装置，通过金属保护罩、气体氛围和第一壁防护层组合设计，能够简单、有效的实现聚变安全防护功能、适合Z-FFR应用，可以解决Z-FFR的0.1Hz运行频率、1～3GJ聚变放能状态产生的强聚变X射线、离子和碎片综合防护问题具体效果包括：
①可有效防护Z-FFR聚变过程产生的200MJ～600MJ级聚变X射线、高能带电离子和动能碎片；
②防护措施简单，仅在靶室内引入少量结构和材料，对聚变高能中子的影响可以忽略；
③靶室内产生的冲击波强度仅为几个大气压，对第一壁结构的影响非常小；
④该防护措施使用惰性气体和金属材料，聚变后为气体和金属微粒，容易分离并实现聚变反应剩余氘氚燃料的回收处理。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
其中1为MITL(磁绝缘传输线)、2为RTL(可更换传输线)、3为聚变靶心、4为内气体氛围层、5为金属保护罩、6为外气体氛围层、7为第一壁防护层、8为面向等离子体第一壁。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实施例1：
参考图1所示，一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的综合防护装置，该Z箍缩聚变裂变混合能源堆设有聚变靶心3及其外围的面向等离子体第一壁8，包括由聚变靶心3向外至面向等离子体第一壁8之间，依次设置的内气体氛围层4、金属保护罩5、外气体氛围层6和第一壁防护层7，内气体氛围层4由填充于聚变靶心3和金属防护罩5之间的内层保护气体构成，外气体氛围层6由填充于金属防护罩5和第一壁防护层7之间的外层保护气体构成，第一壁防护层7设于面向等离子体第一壁8内壁表面。内层保护气体为压强1000Pa的Ar气，外层保护气体为压强1000Pa的的Ar气。金属保护罩5由Al制成，半径40cm、壁厚0.3mm。第一壁防护层7为面向等离子体第一壁8内壁表面的钨涂层，涂层厚0.15mm。利用辐射流体力学模型计算程序计算得到在1.5GJ聚变放能条件下，最终防护结果为：第一壁内表面辐射能量密度由未加防护时的约50J/cm2降至0.006J/cm2、峰值辐射流功率密度2.1W/cm2，第一壁同时受到的冲击强度为0.25MPa，二者远小于第一壁安全限值；聚变动能碎片连同金属保护罩在聚变后3μs内被完全气化、瞬时温度约16000℃，随后在外气体氛围中逐渐冷却至700℃以下；系统主要指标满足安全防护要求。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于内层保护气体为压强500Pa的Ar气体，外层保护气体为压强500Pa的Ar气体。金属保护罩由Al制成，半径50cm、壁厚0.25mm。第一壁防护层为面向等离子体第一壁内壁表面的W-10％Re合金，涂层厚0.2mm。利用辐射流体力学模型计算程序计算得到在1.5GJ聚变放能条件下，最终防护结果为：第一壁内表面辐射能量密度由未加防护时的约50J/cm2降至0.015J/cm2、峰值辐射流功率密度7W/cm2，第一壁同时受到的冲击强度为0.20MPa，二者远小于第一壁安全限值；聚变动能碎片连同金属保护罩在聚变后4μs内被完全气化、瞬时温度约12000℃，随后在外气体氛围中逐渐冷却至800℃以下；系统主要指标满足安全防护要求。
实施例3：
本实施例与实施例2基本相同，其区别在于内层保护气体为压强100Pa的Ar气体/Al气溶胶，外层保护气体为压强250Pa的Ar气体/Al气溶胶。金属保护罩由Al金属制成，半径60cm、壁厚0.2mm。第一壁防护层为面向等离子体第一壁内壁表面的W-10％Re合金，涂层厚0.2mm。利用辐射流体力学模型计算程序计算得到在1.5GJ聚变放能条件下，最终防护结果为：第一壁内表面辐射能量密度由未加防护时的约50J/cm2降至0.06J/cm2、峰值辐射流功率密度42W/cm2，第一壁同时受到的冲击强度为0.25MPa，二者远小于第一壁安全限值；聚变动能碎片连同金属保护罩在聚变后5μs内被完全气化、瞬时温度约10000℃，随后在外气体氛围中逐渐冷却至1100℃以下；系统主要指标满足安全防护要求。
实施例4：
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于内层保护气体为压强100Pa的Ar气体，外层保护气体为压强500Pa的Ar气体。金属保护罩由碳钢制成，半径50cm、壁厚0.25mm。第一壁防护层为面向等离子体第一壁内壁表面的W涂层，涂层厚0.15mm。利用辐射流体力学模型计算程序计算得到在1.5GJ聚变放能条件下，最终防护结果为：第一壁内表面辐射能量密度由未加防护时的约50J/cm2降至0.03J/cm2、峰值辐射流功率密度12W/cm2，第一壁同时受到的冲击强度为0.28MPa，二者远小于第一壁安全限值；聚变动能碎片连同金属保护罩在聚变后6μs内被完全气化、瞬时温度约11000℃，随后在外气体氛围中逐渐冷却至800℃以下；系统主要指标满足安全防护要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，该Z箍缩聚变裂变混合能源堆设有聚变靶心及其外围的面向等离子体第一壁，其特征在于：包括由聚变靶心向外至面向等离子体第一壁之间，依次设置的内气体氛围层、金属保护罩、外气体氛围层和第一壁防护层，所述内气体氛围层由填充于聚变靶心和所述金属防护罩之间的内层保护气体构成，所述外气体氛围层由填充于所述金属防护罩和第一壁防护层之间的外层保护气体构成，所述第一壁防护层设于所述面向等离子体第一壁内壁表面。
2.如权利要求1所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，其特征在于：所述内层保护气体和/或外层保护气体为原子序数≥18的惰性气体。
3.如权利要求1所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，其特征在于：所述内层保护气体和/或外层保护气体为由Ar、Xe、N2和空气中的一种或多种气体组成的混合气体，或者其与水液滴，或者Al或Fe金属微粒构成的气溶胶。
4.如权利要求3所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，其特征在于：所述内层保护气体为压强10～1000Pa的Ar气，外层保护气体为压强500Pa～2000Pa的的Ar气。
5.如权利要求1所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，其特征在于：所述金属保护罩为金属球壳结构，由原子序数12～26，结构强度大于200MPa，且能被聚变靶心产生的聚变X射线气化的金属或者其合金制成。
6.如权利要求5所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，其特征在于：所述金属保护罩由碳钢、Al、Al基合金、或Ti基合金制成。
7.如权利要求6所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，其特征在于：所述金属保护罩由Al或碳钢制成，半径25～100cm、壁厚0.2～1.0mm。
8.如权利要求1所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，其特征在于：所述第一壁防护层由耐1300℃温度以上、耐1MPa冲击强度以上的材料制成。
9.如权利要求8所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，其特征在于：所述第一壁防护层由钨、钼合金、钨合金或SiC陶瓷制成。
10.如权利要求9所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的聚变产物综合防护装置，其特征在于：所述第一壁防护层为面向等离子体第一壁内壁表面的钨涂层，涂层厚0.1mm～1.0mm。
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