CN104157312B

CN104157312B - 模块式基于z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区

Info

Publication number: CN104157312B
Application number: CN201410433669.XA
Authority: CN
Inventors: 马纪敏; 郭海兵; 钱达志; 李正宏; 黄洪文; 曾和荣; 刘志勇; 王少华; 宋娟
Original assignee: Institute of Nuclear Physics and Chemistry China Academy of Engineering Physics
Current assignee: Institute of Nuclear Physics and Chemistry China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: CN104157312A

Abstract

本发明公开了一种模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，每块燃料区的顶端为聚变靶驱动机构、底端为靶回收区域，燃料区沿环向分为多段，每段沿轴向设三个独立的模块，分别为位于上部的梯形台上端模块、位于中部的长方体中间模块和位于下部的梯形台下端模块；所述上端模块的冷却水管采用横向S形排列；所述下端模块的冷却水管采用横向S形排列；所述中间模块的冷却水管采用轴向排列，工程通道设于燃料区的外端，且工程通道为上下贯穿型，工程通道的上、下端均与双层安全壳的中间区域连通。基于Z箍缩惯性约束聚变驱动，克服托卡马克磁约束装置带来的结构复杂、可用空间有限、混合堆包层工程实现性差的缺点，实现长期稳定的能量输出。

Description

模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区

技术领域

本发明涉及一种模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，属于聚变裂变混合堆技术领域。

背景技术

聚变-裂变混合堆利用氘氚聚变反应堆产生的高能中子驱动次临界包层，在包层中聚变中子用于引起裂变、生产易裂变燃料或者嬗变放射性核废料，同时增殖氚来为聚变堆提供足够的氚。以商业发电为主要目的混合能源堆，包层中燃料采用裂变堆乏燃料或天然铀，实现较高的能量放大从而改善聚变系统的能量平衡。

聚变裂变混合堆是根据聚变反应是富中子（指聚变中子可通过Be、Pb、及U等核素的（n,2n）等反应增殖可利用的中子）、贫能量（14 MeV/次），而裂变反应是贫中子、富能量（200 MeV/次）的特点，利用聚变源中子驱动次临界包层，实现生产能量、生产核燃料、处理核废料等功能。

聚变裂变混合堆包层的特点有：1）由于次临界包层中的裂变反应将大幅放大聚变堆的能量输出，所以聚变裂变混合堆对聚变堆芯参数的要求远比纯聚变电站低；2）较低的聚变堆芯参数使得结构材料所受到的高能中子辐照强度相对较低，可适当降低对结构材料耐辐照性能的要求；3）包层使用轻水堆乏燃料或者天然铀做裂变燃料，快中子增殖或直接裂变可裂变核素，可大大提高铀资源的利用率；4）裂变将增加系统内的中子数量，多余的中子可以和锂发生反应来产氚，从而为聚变堆芯提供燃料。因此，在目前聚变可行性已达到或者即将达到的基础上，采用大部分成熟技术，研究在经济上有竞争力的聚变裂变混合堆装置，能尽早地实现初级阶段聚变应用，极大地推动我国核能的发展。

聚变裂变混合堆研究始于上世纪五十年代，七十年代达到研究高峰，到八十年代后期由于能源需求减少和防止核扩散使得其研究进入低潮，到了本世纪初则重新受到重视。几个代表研究为：1）日本基于托卡马克的动力生产聚变裂变混合堆（1984年），包层为包含平衡钚的快裂变包层，燃料区采用氦气冷却压力管形式； 2）美国圣地亚国家实验室（SNL）基于Z-箍缩聚变驱动器的In-Zinerator次临界嬗变堆概念。该嬗变堆采用(LiF)2-AnF3混合熔盐燃料形式，以液态铅作冷却剂，每年能够焚烧1240 kg锕系核素，同时产生3000 MWth热量。3）美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）提出的激光惯性聚变能源（LIFE）概念。该概念采用TRISO燃料，以Flibe（2LiF+BeF2）氟化物熔盐为冷却剂，设计裂变能量放大因子为4～10。这些概念主要的目的为嬗变核废料，通常需要初装大量的钚或次级锕系核素，熔盐面临的材料问题突出。

国内在863计划内主要研究了基于托卡马克磁约束聚变的增殖钚及嬗变高放核废料的聚变裂变混合堆概念设计。2000年后中科院合肥等离子体物理研究所和核工业西南物理研究所仍继续开展了规模较小的混合堆研究计划，研究目标主要是嬗变长寿命高放废物或裂变产物。近年来，国内多家单位提出了基于托卡马克的聚变裂变混合堆包层设计。比如：1）中科院合肥物质研究院提出的快-热耦合混合能谱实现长期能量方法的混合堆包层，采用了快裂变区、非裂变区中子倍增区、热裂变区的复杂燃料区设计；2）中国核电工程公司提出的基于托卡马克的小模块燃料区设计；3）西交大提出的基于压力管式燃料区设计。这些设计都基于托卡马克磁约束聚变，由于托卡马克的复杂结构，导致了这些设计主要采用小模块式，具备模块数量多，冷却剂流道复杂，工程实现性较差的不足。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种聚变裂变混合堆包层燃料区，基于Z箍缩惯性约束聚变驱动，克服托卡马克磁约束装置带来的结构复杂、可用空间有限等缺点；同时，本包层燃料区采用铀锆合金燃料加压水堆成熟的冷却技术，利用简单几何和流道设计，解决原有包层工程实现性差的缺点，实现长期稳定的能量输出，同时采用工程通道提高包层的安全性；从而能有效的解决上述现有技术中存在的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：一种模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，其包层沿环向均分成N个模块，36≥N≥15，燃料区分成与包层对应的N块；每块燃料区的上端为聚变靶驱动机构、下端为靶回收区域，在燃料区的上端和下端之间设三个独立的模块，分别为位于上部的梯形台上端模块、位于中部的长方体中间模块和位于下部的梯形台下端模块；所述上端模块的冷却水管采用横向S形排列；所述下端模块的冷却水管采用横向S形排列；所述中间模块的冷却水管采用轴向排列；工程通道设于燃料区的外端，且工程通道为上下贯穿型，工程通道的上、下端均与双层安全壳的中间区域连通。

作为优选方式，正常情况下，所述上端模块冷却水管的冷却水自下部进入，在上端模块内呈S形来回流动，再从顶部流出；所述中间模块冷却水管的冷却水从下部进入，自下而上流动，在上部汇总后流出；所述下端模块冷却水管的冷却水自下部进入，在下端模块内呈S形流动，再从模块顶部流出；三个模块流出的冷却水通过在三个模块的外部汇总后流出，联通至蒸汽发生器一回路入水口，在蒸汽发生器内通过热量交换后通过主泵返回至包层。在堆芯失水事故下，燃料区冷却水完全丧失，在工程通道中注入冷却水，通过在燃料区外侧和双层安全壳的中间区域之间形成完整的自然循环回路，双层安全壳外侧与大气或者喷淋系统等最终热阱联通，可带走衰变热，提高安全性。

作为优选方式，N为36～15，每块燃料区的环向角度为10～24度；中间模块的宽为1.225～2.976m；上端模块的底端宽与中间模块相同，顶端宽为0.26～0.64m，高为6.92 m；下端模块的顶端宽与中间模块相同，底端宽为0.26～0.64m，高为6.92m。

作为优选方式，燃料区基本栅元的横截面为正方形，边长为2.5～3.5 cm；基本栅元呈三角形或正方形排列，层数为4～6层；燃料区采用内冷却水管式，燃料占据水管外的区域；水管半径为0.8～1.2 cm，水管采用锆合金包壳，包壳厚度为0.1 cm。

作为优选方式，中间模块水管在下端分流，流经中间模块的竖直水管后，在顶端汇聚流出，总流道面积为0.09～0.30 m²，功率为35～90 MW，冷却剂流量为158～407 kg/s。

作为优选方式，上端模块在下端分流，流经S形横排水管后，在上端汇聚流出，横排水管高度方向分为3～5组，总流道面积为0.09～0.15 m²，功率为20～55 MW，冷却剂流量为90～250 kg/s。

作为优选方式，下端模块在下端分流，流经S形横排水管后，在上端汇聚流出，横排水管高度方向分为3～5组，总流道面积为0.09～0.15 m²，功率为20～55 MW，冷却剂流量为90～250 kg/s。

作为优选方式，包层包括由内朝外依次设置的第一壁、燃料锆箱内壁、燃料区、燃料锆箱外壁、工程通道、产氚区和屏蔽区。

作为优选方式，包层的铀水比为1.5：1～2.5:1。

本发明的实现原理为：

1）包层采用高铀水比，燃料采用含铀合金燃料（如铀锆合金），冷却剂采用与压水堆相同的高温高压水，采用5年换料和简单干法后处理，能量放大倍数在200年内始终保持10以上，产氚区TBR（氚增值比Tritium Breeding Ratio的英文缩写）可保持在1.10以上。包层的燃料区具有良好的能量放大功能，能够满足长期的能量输出；另外，包层具有很好的中子倍增性能，可同时满足聚变堆芯的氚自持要求。

2）燃烧区沿环向分为多段，每段沿轴向分成三个独立的模块，简化了形状；其上、下端采用横管布置，且适当分组，保证了各流道设计简单、长度基本一致，对整个包层能够有效冷却。

3）包层各模块可独立制造，每个模块有一个进水口和出水口，由于模块总数较少，这简化了回路管道连接。包层模块为梯形台和长方体构型，内嵌冷却水管，尺寸合理，工程实现性好，并且有利于安全。

4）在燃料区外侧设置的工程通道，不仅没有影响包层中子学性能，而且在事故工况下可利用自然循环将衰变热载出。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供一种聚变裂变混合堆包层燃料区，基于Z箍缩惯性约束聚变驱动，克服托卡马克磁约束装置带来的结构复杂、可用空间有限等缺点；具体来说，具备如下的优点：

1）采用环向分块、轴向三块的模块分解方式，各个模块采用独立的进水口和出水口；管道总数较少，降低了安全风险；模块采用整体制造，方便工程加工和安装；

2）包层模块按照相应的特点进行不同流道设计；中间模块采用竖直流道，上下端模块采用三段S型横管分组流道；这既可以使得上下端模块和中间模块铀水比不变，保证了其核性能一致，又可以保证各模块有效冷却且出入口温度大致相同，利于与现有压水堆工程对接；

3）设置工程通道，是一种非能动载出包层衰变热的设计，提高了包层的安全性。

附图说明

图1是本发明涉及的基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层纵剖面示意图。

图2是本发明单块包层燃料区的纵剖面示意图。

图3是本发明上端模块冷却水管的布置截面示意图。

图4是本发明中间模块冷却水管的布置截面示意图。

图5是本发明下端模块冷却水管的布置截面示意图。

其中：第一壁-11，燃料锆箱内壁-12，燃料区-13，燃料锆箱外壁-14，工程通道-6，产氚区-16，屏蔽区-17，聚变靶驱动机构-1，下端为靶回收区域-2，上端模块-3，中间模块-4，下端模块-5。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征之一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。

一种模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，如图1所示，包层包括由内朝外依次设置的第一壁11、燃料锆箱内壁12、燃料区13、燃料锆箱外壁14、工程通道6、产氚区16和屏蔽区17，在产氚区的外侧设有产氚区锆箱内壁和产氚区锆箱外壁。包层沿环向均分成N个模块， 36≥N≥15，燃料区分成与包层对应的N块N的数值不易过大，若过大则形成过多的分块，在燃烧区管道汇总时容易出现管道不易分配的问题，N的数值若过小，将影响到燃烧区管道的冷却效果。包层采用内嵌冷却水管式，水管呈三角形或正方形排列，锆合金作为水管材料，水管外面为含铀合金燃料；燃料区的铀水比为1.5：1～2.5:1，经计算，该铀水比能够同时满足包层对能量倍增、包层冷却和氚倍增的要求。

如图2所示，每块燃料区13的上端为聚变靶驱动机构1、下端为靶回收区域2，聚变靶放置在聚变靶驱动机构下端即聚变靶室的中心，裂变包层设置在聚变靶室的外部区域。在燃料区13的上端和下端之间设三个独立的模块，分别为位于上部的梯形台上端模块3、位于中部的长方体中间模块4和位于下部的梯形台下端模块5。所述上端模块3的冷却水管采用横向S形排列；所述上端模块3冷却水管的冷却水自下部进入，在上端模块3内呈S形在相邻两水板之间来回流动，再从顶部流出；一个独立的上端模块只设置一个进水口和一个出水口。所述下端模块5的冷却水管采用横向S形排列；所述下端模块5冷却水管的冷却水自上部进入，在下端模块5内呈S形在相邻两水板之间来回流动，再从底部流出；一个独立的下端模块只设置一个进水口和一个出水口。所述中间模块4的冷却水管采用轴向排列；所述中间模块4冷却水管的冷却水从下部进入，自下而上流动，在上部汇总后一并流出；一个独立的中间模块只设置一个进水口和一个出水口。工程通道6设于燃料区的外端，且工程通道6为上下贯穿型，工程通道6的上、下端均与双层安全壳的中间区域连通。

中间模块采用竖直流道，上下端模块采用三段S型横管分组流道；这保证了在包层模块的各个位置铀水比都相同，使得上下端模块和中间模块的核性能，包括功率密度、中子倍增性能基本一致，又可以保证各模块有效冷却且出入口温度大致相同，利于与现有压水堆工程对接。

设置工程通道的作用是：在堆芯失水事故下，燃料区冷却水完全丧失，在工程通道中注入冷却水，通过在燃料区外侧和双层安全壳的中间区域之间形成完整的自然循环回路，双层安全壳外侧与大气或者喷淋系统等最终热阱联通，可利用自然循环载出衰变热。这是一种非能动载出包层衰变热的设计方案，提高了包层的安全性。

实施例1，如图3、图4、图5所示：

所述N=20，每块燃料区的环向占角为18度。

其中：

中间模块4的宽为2.468 m，高为6.92 m；中间模块4每层管道数94个，共564个管道；总流道面积0.1295m²；功率75.41 MW；冷却剂流量为306.9 kg/s；冷却剂流速为 3.365m/s。

上端模块3的顶端宽为0.53 m，底端宽为2.468 m，高为6.92 m；上端模块3每排263根，共1578根；高度方向分为3组，每组526个管道，总流道面积为0.1208m²；功率 45.63 MW；冷却剂流量为 185.7 kg/s；冷却剂流速为 2.183 m/s。

下端模块5的底端宽为0.53 m，顶端宽为2.468 m，高为6.92 m；下端模块5每排263根，共1578根；高度方向分为3组，每组526个管道，总流道面积为0.1208m²；功率 45.63 MW；冷却剂流量为 185.7 kg/s；冷却剂流速为 2.183 m/s。

燃料区13中栅元的横截面为2.64 cm×2.62 cm，栅元呈三角形排列，共6层。冷却水管内径1.71cm，外径1.91cm；水管厚0.10 cm。

工程通道的厚度为4 cm；事故工况下，工程通道与双层安全壳之间注满水。此时，自然循环流量为正常运行流量的3.9%，足够将衰变热量载出。

实施例2：

所述N=24，每块燃料区的环向占角为15度。

其中：

中间模块4的宽为1.843 m，高为6.92 m；中间模块4每层管道数61个，共305个管道；总流道面积0.0958 m²；功率53.56 MW；冷却剂流量为242.2 kg/s；冷却剂流速为3.590m/s。

上端模块3的顶端宽为0.39 m，底端宽为1.843 m，高为6.92 m；上端模块3每排230根，共1150根；高度方向分为5组，每组230个管道，总流道面积为0.0723 m²；功率 32.45MW；冷却剂流量为 146.8 kg/s；冷却剂流速为 2.885 m/s。

下端模块5的底端宽为0.39 m，顶端宽为1.843 m，高为6.92 m；下端模块5每排230根，共1150根；高度方向分为5组，每组230个管道，总流道面积为0.0723 m²；功率 32.45MW；冷却剂流量为 146.8 kg/s；冷却剂流速为 2.885 m/s。

燃料区13中栅元的横截面为3.0 cm×3.0 cm，栅元呈正方形排列，共5层。冷却水管内径2.0 cm，外径2.2 cm；水管厚0.1 cm。

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

1.一种模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，其特征在于：包层沿环向均分成N个模块，36≥N≥15，燃料区分成与包层对应的N块；每块燃料区（13）的上端为聚变靶驱动机构（1）、下端为靶回收区域（2），在燃料区（13）的上端和下端之间设三个独立的模块，分别为位于上部的梯形台上端模块（3）、位于中部的长方体中间模块（4）和位于下部的梯形台下端模块（5）；所述上端模块（3）的冷却水管采用横向S形排列；所述下端模块（5）的冷却水管采用横向S形排列；所述中间模块（4）的冷却水管采用轴向排列，工程通道（6）设于燃料区（13）的外端，且工程通道（6）为上下贯穿型，工程通道（6）的上、下端均与双层安全壳的中间区域连通；所述上端模块（3）冷却水管的冷却水自下部进入，在上端模块（3）内呈S形来回流动，再从顶部流出；所述中间模块（4）冷却水管的冷却水从下部进入，自下而上流动，在上部汇总后流出；所述下端模块（5）冷却水管的冷却水自下部进入，在下端模块（5）内呈S形流动，再从模块顶部流出；三个模块流出的冷却水通过在三个模块的外部汇总后流出，联通至蒸汽发生器一回路入水口，在蒸汽发生器内通过热量交换后通过主泵返回至包层。

2.如权利要求1所述的模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，其特征在于：N为36～15，每块燃料区的环向角度为10～24度；中间模块（4）的宽为1.225～2.976m；上端模块（3）的底端宽与中间模块相同，顶端宽为0.26～0.64m，高为6.92 m；下端模块（5）的顶端宽与中间模块相同，底端宽为0.26～0.64m，高为6.92m。

3.如权利要求2所述的模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，其特征在于：燃料区基本栅元的横截面为正方形，边长为2.5～3.5 cm；基本栅元呈三角形或正方形排列，层数为4～6层；燃料区采用内冷却水管式，燃料占据水管外的区域；水管半径为0.8～1.2 cm，水管采用锆合金包壳，包壳厚度为0.1 cm。

4.如权利要求2所述的模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，其特征在于：中间模块水管在下端分流，流经中间模块的竖直水管后，在顶端汇聚流出，总流道面积为0.09～0.30 m²，功率为35～90 MW，冷却剂流量为158～407 kg/s。

5.如权利要求2所述的模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，其特征在于：上端模块在下端分流，流经S形横排水管后，在上端汇聚流出，横排水管高度方向分为3～5组，总流道面积为0.09～0.15 m²，功率为20～55 MW，冷却剂流量为90～250 kg/s。

6.如权利要求2所述的模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，其特征在于：下端模块在下端分流，流经S形横排水管后，在上端汇聚流出，横排水管高度方向分为3～5组，总流道面积为0.09～0.15 m²，功率为20～55 MW，冷却剂流量为90～250 kg/s。

7.如权利要求1所述的模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，其特征在于：包层包括由内朝外依次设置的第一壁（11）、燃料锆箱内壁（12）、燃料区（13）、燃料锆箱外壁（14）、工程通道（6）、产氚区（16）和屏蔽区（17）。

8.如权利要求7所述的模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，其特征在于：包层的铀水比为1.5：1～2.5:1。