CN104157311B - 一种用于z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室 - 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薄壁聚变靶室，属于核反应堆装置领域，包括由面向等离子体第一壁围成的靶室，所述面向等离子体第一壁内壁表面设有耐热烧蚀防护层，所述靶室为球形壳体结构，其上端设有换料(靶)通道开口，下端设有废物移出通道开口；将该球形壳体结构以过换料通道开口中心、球形壳体结构球心和废物移出通道开口中心三点的若干面进行分割形成若干结构单元，所述靶室的球形壳体结构由该若干结构单元拼接构成，所述结构单元横截面呈弧形，且朝靶室内部凸起。本发明的靶室设计能够同时应对聚变反应产生的热力学冲击和力学冲击，并满足Z‑FFR中子物理学性能要求。
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聚变靶室。
背景技术
Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-Pinch-Driven Fusion-Fission Hybrid PowerReactor,Z-FFR)利用Z箍缩驱动惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,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(Fusion Chamber)为聚变的产生提供必要的环境，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(First Wall,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。当前主要通过在靶室内部填充液态或气体/气溶胶来吸收聚变X射线、离子和碎片能量以实现靶室安全防护。这些填充物吸收大量能量后，温度急剧升高、对靶室第一壁产生热力学冲击，同时产生强冲击波(即辐射驱动冲击波)、对靶室结构产生强的力学冲击。因此靶室必须能够同时承受周期性的热力学冲击和力学冲击。
美国圣地亚国家实验室(Sandia National Laboratory,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(Thick Liquid Curtain)防护方法，通过高压喷射氟锂铍(Flibe)或锂铅(LiPb)液态熔盐(等效厚度约1m)吸收全部聚变产物。靶室为球形，采用F82H低活化钢材料，半径6.5m、壁厚35cm，主要作为结构件、承担结构支撑和辐射屏蔽功能。
Z-IFE概念是纯聚变堆，利用厚液遮蔽(Thick Liquid Curtain)方法吸收包括几乎全部聚变高能中子在内的聚变放能，靶室第一壁面临较小的热冲击问题。但Z-FFR不可能采用厚液遮蔽(Thick Liquid Curtain)防护方法，因此热冲击问题不可避免，Z-IFE的靶室设计不能解决靶室第一壁的耐热力学冲击问题。
同时，Z-IFE的靶室设计采用35cm厚的低活化钢作为第一壁，具有相当高的结构强度，同样的力学冲击在该靶室结构中引起的应力很低，因而安全性很好。但这样的厚度对高能聚变中子的吸收非常强，由于Z-FFR需要聚变高能中子来驱动次临界裂变堆放能、而不是被靶室第一壁吸收，因此Z-IFE的靶室设计无法保证Z-FFR的核性能。
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，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。其靶室为圆柱体，采用镍基高温合金材料，半径2m、高5m，第一壁厚5cm、对聚变中子吸收较强，但由于其外部裂变包层反应性较高，穿过第一壁的聚变中子仍能满足该系统的总体要求。
In-Zinerator主要目的是嬗变现有裂变核电站产生的乏燃料，其外部裂变包层反应性参数keff～0.97。因此在聚变靶室设计中，允许采用较厚(5cm)的第一壁以提高结构强度裕量，即使其吸收了部分聚变中子，剩余穿过第一壁的聚变中子仍能满足要求。而Z-FFR次临界裂变堆采用天然铀作为燃料，其反应性参数较低(keff<0.7)，确保其具有天然的安全性和经济性。而这种设计则要求较强的聚变中子来驱动，因此对第一壁厚度提出了苛刻的要求，5cm厚镍合金将对聚变中子造成无法接受的影响。
同时，In-Zinerator的聚变放能只有每脉冲0.2GJ，因此采用半径2m的小靶室、充气氛围防护就可以满足靶室耐热烧蚀和热力学冲击要求。而Z-FFR聚变放能超过每脉冲1～3GJ、比In-Zinerator强得多，因此In-Zinerator的小半径靶室不能解决Z-FFR面临的耐热烧蚀和热力学冲击要求。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的缺陷，提出了一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室，该靶室设计能够同时应对热力学冲击和力学冲击，并满足Z-FFR中子物理学性能要求。
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薄壁聚变靶室，包括由面向等离子体第一壁围成的靶室，所述面向等离子体第一壁内壁表面设有耐热烧蚀防护层，所述靶室为球形壳体结构，其上端设有换料通道开口，下端设有废物移出通道开口；将该球形壳体结构以过换料通道开口中心、球形壳体结构球心和废物移出通道开口中心三点的若干面进行分割形成若干结构单元，所述靶室的球形壳体结构由该若干结构单元拼接构成，所述结构单元横截面呈弧形，且朝靶室内部凸起。
上述方案中，本发明设计了一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室，通过靶室第一壁表面敷涂防护层来提高耐热冲击性能，通过采用低曲率半径的结构单元设计降低了冲击波对靶室结构的冲击，该靶室设计能够同时应对热力学冲击和力学冲击，并满足Z-FFR中子物理学性能要求。
作为选择，所述各结构单元均匀分布。
作为选择，所述结构单元横截面呈圆弧形。
作为选择，所述结构单元弧形横截面的曲率半径为50～100cm。
作为选择，所述靶室半径7m，由36个所述结构单元均匀拼接构成，内部充500Pa～2000Pa的Ar气。
上述方案中，聚变靶室半径7m、内部充500Pa～2000Pa的Ar气，7m半径既保证足够的Ar充气以吸收99％以上的聚变X射线能量，又降低了第一壁表面的聚变中子通量密度、降低了聚变高能中子对第一壁的辐射损伤。
靶室内部存在1MPa冲击压力，连同靶室自身重量和内外气压，将在半径7m、厚1cm的薄球壳第一壁内产生约200MPa以上应力，对聚变靶室结构安全与寿命不利。本发明采用36个结构单元拼接形成完整的聚变靶室，每个单元的曲率半径减小至0.6m，可将靶室第一壁结构应力降低至30MPa，大幅提升了靶室结构的安全性。
作为选择，所述耐热烧蚀防护层为能够承受0.5J/cm2的循环热力学冲击的材料制成。
作为进一步选择，所述耐热烧蚀防护层由钨、钼合金或SiC陶瓷制成。
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，所述耐热烧蚀防护层为0.1mm～1.0mm的钨涂层。
上述方案中，第一壁表面涂0.1mm～1.0mm的钨作为耐热烧蚀防护层，可以承受1J/cm2的热冲击。钨和钛铝合金的热膨胀系数接近，涂层界面具有较好的热力学冲击稳定性。
作为选择，所述靶室半径大于5m，面向等离子体第一壁由厚度小于2cm，能够承受1MPa的冲击波力学冲击，工作温度大于500℃的金属制成。
上述方案中，第一壁厚度小于2cm，以尽可能降低对聚变中子的吸收，同时降低中子辐射损伤效应，靶室半径大于5m，满足自身结构强度要求。
作为进一步选择，所述面向等离子体第一壁由钛基合金或钼基合金制成。
所述Ti基合金(Titanium base alloys(Ti-based))可选Ti3Al合金、TiAl合金。
所述钼基合金可选Mo-Ti-Zr合金。
作为更进一步选择，所述面向等离子体第一壁为厚度1cm的钛铝合金。
上述方案中，靶室第一壁材料选择钛铝合金。钛元素和铝元素与聚变高能中子的反应截面很小，可以降低中子对第一壁的辐射损伤。第一壁厚度1cm，保证80％以上的聚变高能中子均能直接透过第一壁，同时钛和高能中子存在可观的(n,2n)反应、使得通过第一壁后进入次临界裂变堆的中子总数有所增加，可确保Z-FFR的核性能。
钛铝合金具有较好的机械性能，工作温度可达800℃，相应的拉伸强度和屈服强度均在500MPa以上，提升了靶室对高温工作环境的适应性。
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-Driven Fusion-Fission HybridPower Reactor)，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(Inertial Confinement Fusion)；
FW——面向等离子体第一壁(First Wall)；
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：通过靶室第一壁表面敷涂防护层来提高耐热冲击性能，通过采用结构单元结构降低了冲击波对靶室结构的冲击，该靶室设计能够同时应对热力学冲击和力学冲击，并满足Z-FFR中子物理学性能要求：
①靶室第一壁表面敷涂耐热防护层提高了耐热冲击性能，如钨涂层可承受1.0J/cm2的X射线辐照；
②采用结构单元拼接形成靶室，通过减小各单元的曲率半径降低了冲击波对靶室结构的力学冲击效应，如36个结构单元下1MPa冲击波对靶室结构造成的冲击应力仅30MPa，大幅提升了靶室结构的安全裕量；
③采用前述结构设计，使得靶室第一壁厚度大为降低，形成薄壁聚变靶室，如靶室第一壁使用1cm厚钛铝合金可降低对聚变高能中子的吸收，提高了Z-FFR的放能性能和氚增殖性能；
④钛铝合金具有较好的机械性能，工作温度可达800℃，相应的拉伸强度和屈服强度均在500MPa以上，提升了靶室对高温工作环境的适应性。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图；
图2是本发明结构单元的结构示意图；
图3是图2结构单元下半段的结构示意图；
图4是图3的左视结构示意图；
图5是图4的俯视结构示意图；
图6是本发明的纵剖结构示意图；
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为气体氛围层、5为耐热烧蚀防护层、6为面向等离子体第一壁、7为换料通道开口、8为废物移出通道开口、9为结构单元。
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至6所示，一种用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室，包括由面向等离子体第一壁6围成的靶室，面向等离子体第一壁6内壁表面设有耐热烧蚀防护层5，靶室为球形壳体结构，其上端设有换料通道开口7，下端设有废物移出通道开口8；将该球形壳体结构以过换料通道开口7中心、球形壳体结构球心和废物移出通道开口8中心三点的若干面进行分割形成若干结构单元9(分割面即图6所示纵剖图)，靶室的球形壳体结构由该若干结构单元9拼接构成，结构单元9横截面呈弧形，且朝靶室内部凸起(靶室的水平剖视图则呈波浪圆形，图中未示出)。作为选择，如本实施例所示，靶室半径7m，面向等离子体第一壁6为厚度1cm的TiAl合金，耐热烧蚀防护层5为0.2mm的钨涂层，靶室由36个结构单元9均匀拼接构成，结构单元9横截面呈圆弧形，曲率半径为0.6m，每个结构单元9均由上下两段拼接构成，靶室内部充2000Pa的Ar气的气体氛围层4。利用辐射流体力学模型计算程序计算了在1.5GJ聚变放能条件下，第一壁内表面辐射能量密度为0.06J/cm2、小于W涂层烧蚀限值，第一壁同时受到的冲击强度为0.3MPa。使用ANSYS14.0有限元分析软件计算了1MPa内部冲击压力条件下，第一壁内部应力强度峰值小于60MPa,远小于TiAl合金强度限值。该靶室设计同时满足了Z-FFR的热学和力学防护要求。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：靶室半径8m，面向等离子体第一壁为厚度1cm的Ti3Al合金，耐热烧蚀防护层为0.1mm的W，靶室由36个结构单元均匀拼接构成，结构单元横截面呈圆弧形，曲率半径为0.7m，靶室内部充1000Pa的Ar气。利用辐射流体力学模型计算程序计算了在1.5GJ聚变放能条件下，第一壁内表面辐射能量密度为0.05J/cm2、小于W涂层烧蚀限值，第一壁同时受到的冲击强度为0.24MPa。使用ANSYS14.0有限元分析软件计算了1MPa内部冲击压力条件下，第一壁内部应力强度峰值小于70MPa,远小于Ti3Al合金强度限值。该靶室设计同时满足了Z-FFR的热学和力学防护要求。
实施例3：
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：靶室半径7m，面向等离子体第一壁为厚度1.5cm的TiAl合金，耐热烧蚀防护层为0.15mm的W-10％Re合金，靶室由30个结构单元均匀拼接构成，结构单元横截面呈圆弧形，曲率半径为0.7m，靶室内部充2000Pa的Ar气。利用辐射流体力学模型计算程序计算了在1.5GJ聚变放能条件下，第一壁内表面辐射能量密度为0.06J/cm2、小于W涂层烧蚀限值，第一壁同时受到的冲击强度为0.3MPa。使用ANSYS14.0有限元分析软件计算了1MPa内部冲击压力条件下，第一壁内部应力强度峰值小于40MPa,远小于TiAl合金强度限值。该靶室设计同时满足了Z-FFR的热学和力学防护要求。
实施例4：
本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：靶室半径6.5m，面向等离子体第一壁为厚度1.5cm的TiAl合金，耐热烧蚀防护层为0.2mm的W-10％Re合金，靶室由36个结构单元均匀拼接构成，结构单元横截面呈圆弧形，曲率半径为0.5m，靶室内部充2000Pa的Ar气。利用辐射流体力学模型计算程序计算了在1.5GJ聚变放能条件下，第一壁内表面辐射能量密度为0.08J/cm2、小于W涂层烧蚀限值，第一壁同时受到的冲击强度为0.4MPa。使用ANSYS14.0有限元分析软件计算了1MPa内部冲击压力条件下，第一壁内部应力强度峰值小于60MPa,远小于TiAl合金强度限值。该靶室设计同时满足了Z-FFR的热学和力学防护要求。
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薄壁聚变靶室，其特征在于：包括由面向等离子体第一壁围成的靶室，所述面向等离子体第一壁内壁表面设有耐热烧蚀防护层，所述靶室为球形壳体结构，其上端设有换料通道开口，下端设有废物移出通道开口；将该球形壳体结构以过换料通道开口中心、球形壳体结构球心和废物移出通道开口中心三点的若干面进行分割形成若干结构单元，所述靶室的球形壳体结构由该若干结构单元拼接构成，所述结构单元横截面呈弧形，且朝靶室内部凸起；所述靶室半径大于5m，面向等离子体第一壁由厚度小于2cm，能够承受1MPa的冲击波力学冲击，工作温度大于500ºC的金属制成。
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薄壁聚变靶室，其特征在于：各结构单元均匀分布。
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薄壁聚变靶室，其特征在于：所述结构单元横截面呈圆弧形。
4.如权利要求1所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室，其特征在于：所述结构单元弧形横截面的曲率半径为50～100cm。
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薄壁聚变靶室，其特征在于：所述靶室半径7m，由36个所述结构单元均匀拼接构成，内部充500Pa～2000Pa的Ar气。
6.如权利要求1所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室，其特征在于：所述耐热烧蚀防护层为能够承受0.5J/cm2的循环热力学冲击的材料制成。
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薄壁聚变靶室，其特征在于：所述耐热烧蚀防护层由钨或钨合金或钼合金或SiC陶瓷制成。
8.如权利要求7所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室，其特征在于：所述钨合金或钼合金为钨钼合金。
9.如权利要求7或8所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室，其特征在于：所述耐热烧蚀防护层为0.1mm～1.0mm的钨涂层。
10.如权利要求1所述的用于Z箍缩聚变裂变混合能源堆的薄壁聚变靶室，其特征在于：所述面向等离子体第一壁为厚度1cm的钛铝合金。
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