CN104240772B

CN104240772B - Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆

Info

Publication number: CN104240772B
Application number: CN201410465192.3A
Authority: CN
Inventors: 彭先觉; 李正宏; 彭述明; 钱达志; 龙兴贵; 王真; 黄洪文; 陈晓军; 许泽平; 王和义; 邓建军; 张鹏程; 李茂生; 肖成建; 郭海兵; 马纪敏; 祁建敏; 刘志勇; 谢卫平; 王勐
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: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2034-09-15
Also published as: CN104240772A

Abstract

本发明公开了一种Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，包括Z箍缩惯性约束聚变堆芯、次临界裂变包层及能量输出系统，以及产氚包层和氘氚循环系统；所述聚变堆芯包括聚变负载及聚变靶、聚变驱动器和支持聚变连续运行的聚变靶室；所述次临界裂变包层及能量输出系统包括次临界包层、冷却环路、蒸汽发生器和稳压器；所述产氚包层及氘氚循环系统包括产氚包层、堆芯余氚回收系统和堆外氚工厂。本发明基于整体点火技术的惯性约束聚变堆芯方案实现性强且性能可靠，能充分利用贫铀和钍，提高裂变资源利用效率；整个聚变裂变混合能源堆设计合理且均衡，通过Z箍缩聚变堆芯驱动次临界包层，可提供长期的充足的洁净电力能源。

Description

Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆

技术领域

本发明涉及一种Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，属于混合能源堆技术领域。

背景技术

能源事关经济安全和国家安全。目前我国以煤炭为主要能源的能源结构存在极大的不合理性，大量使用化石燃料造成了严重的环境污染，同时煤炭、石油等能源资源短缺问题加重。核能作为一种清洁高效能源，是我国增加能源供应、优化能源结构、应对气候变化最重要的选择之一。目前裂变核电站面临两个问题：一是铀资源的世界蕴藏量仍是有限的，且裂变电站铀资源利用率低；二是核废物处置问题，因而裂变核电站仍不是解决长久能源问题的途径。发展安全高效、环境友好、可持续的能源的需求迫切。在此背景下，利用聚变驱动裂变包层发热的聚变裂变混合堆逐渐受到重视。

聚变裂变混合堆研究始于20世纪50年代，最初的想法是使用聚变中子来从可裂变核素（U-238， Th-232）增殖易裂变核素（Pu-239， U-233）和在其过程中放大聚变能量输出。70-80年代美国、日本和土耳其进行过较多的混合堆研究工作，聚变驱动方式包括磁镜、托卡马克磁约束、激光惯性约束等，包层有铀/钚增殖抑制裂变包层、快裂变铀/钍包层，但都没有超出简单的概念研究范畴。90年代末至今，美国混合堆研究的主要目的是处理裂变堆核废料，如佐治亚工学院（GNL）提出的由托卡马克驱动的次临界快嬗变堆，圣地亚国家实验室（SNL）提出的基于Z-箍缩的嬗变堆“In-Zinerator”概念，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）提出的激光惯性约束聚变裂变电站LIFE。这些方案多以次锕系超铀核素TRU为燃料，需要首先对核废料中的超铀核素进行化学分离提取，经济性较差。中国在863计划里实施过聚变裂变混合堆研究，由中科院等离子体研究所（ASIPP）和核工业西南物理研究院（SWIP）进行了基于托卡马克聚变的钚增殖堆概念研究。2000年以后，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嬗变长寿命高放废物或裂变产物混合堆研究。

中物院从2000年开展Z箍缩聚变研究。利用国内的“阳”、“强光”及俄罗斯的S-300、Angara-5等加速器，开展了多轮Z箍缩电磁内爆实验。在2011年，建成电流达8～10MA命名为PTS（中文名“聚龙1号”）的驱动器，为Z箍缩研究提供更有力的实验平台。在2010年，中物院提出的Z箍缩聚变裂变混合能源堆（Z-Pinch Driven Fusion-Fission Hybrid EnergyReactor，Z-FFR）拟采用近期可获得的聚变技术和较成熟的裂变反应堆技术，具有较高的技术可行性,有希望成为一种有竞争力的持久性能源。

Z箍缩驱动聚变裂变混合堆（Z-Pinch Driven Fusion-Fission Hybrid Reactor，Z-FFR）包括一个裂变包层包围着的Z箍缩聚变堆芯，聚变堆芯作为独立的中子源，高效率地促使U -238、Th-232等现有商业核反应堆难以利用的核能材料发生裂变反应，稳定、可控地输出巨大能量。这种新型反应堆利用一次裂变放能（约200MeV）和释放中子数（约2.5个）远大于一次聚变放能（约17MeV）和释放中子数（1个）的特点实现能量放大和中子数放大，能够显著地降低实现聚变技术应用的难度，又能将核能资源的利用率提高一个量级以上；同时可利用数量大幅增加的中子进行聚变燃料氚的生产，使生产出的氚大于氚消耗，维持Z-FFR的长期持续运行。

Z-FFR能够同时实现电力生产和聚变燃料的“自持”供给；全寿命期以贫铀（钍或者乏燃料）为裂变燃料，不需要进行同位素分离和铀钚分离，可有效防止核扩散，并显著降低现有核能在放射性核废料处置方面的压力；裂变包层始终处于深度次临界，具有天然的临界安全性，可确保在任何情况下均不会发生临界事故；裂变燃料的再生只需经过简单加热以去除裂变气体，经济效费比较高。这种新的核能堆型在安全、经济、持久和环境友好等方面均具有优良的品质，实现聚变能源及早服务于人类社会和促进裂变核能可持续发展，成为有效应对未来能源问题和环境、气候问题的新能源。

现有激光惯性约束聚变裂变能量（LIFE）电站利用激光惯性约束聚变，以由氘氚产生的聚变中子驱动可裂变的或者能产生裂变物质的燃料的亚临界再生区。惰性聚变利用中心热斑或快点火聚变和直接/间接驱动来实现。聚变中子导致燃料在裂变再生区中超深度燃尽，使得核废料能够燃烧。利用锂铅溶液和Flibe充当第一壁和结构材料的冷却剂，利用铍（或铅）层倍增中子，裂变区利用TRISO卵石燃料或液体燃料，后端再采用石墨反射层。

这种激光惯性约束聚变裂变能量电站存在如下缺点：

1）激光驱动惯性约束聚变的驱动器能量效率和经济效费比极低，激光驱动惯性约束聚变需要为数百路激光留出传输通道，导致的球形靶室结构复杂，使得只能采用TRISO燃料卵石或者液体燃料，产氚区采用液态氚增殖剂，它导致了整个方案结构复杂，熔融金属和Flibe对结构材料提出很高要求。

2）方案采用倍增铍层，受铍资源限制，与纯聚变相比优势不明显。

3）该概念没有涉及聚变、裂变燃料循环，而这又是反应堆极其重要的一环。

另外，现有加速器驱动的快-热耦合次临界反应堆，中心向外依次为靶区、快中子能谱区、热中子能谱区、反射层区、屏蔽层区、不锈钢外壳。采用加速器加速的质子与主靶核发生散列反应产生的中子作为中子源，利用快中子能谱区嬗变MA，用快中子区和热中子区耦合形成的超热中子区嬗变LLFP。快-热耦合次临界反应堆的k_eff在0.90～0.98之间。

这种加速器驱动的快-热耦合次临界反应堆存在如下缺点：

1）堆芯布置较负载，既有天然铀或低富集度铀（快中子能谱区），也有富集度为3～4%的UO2（热中子能谱区），还有LLFP区（超热中子区），对物理设计要求高。

2）该发明仅为概念研究，缺乏具体的反应堆工程设计，可实现性较差。

发明内容

基于目前可获得的Z箍缩惯性约束聚变，驱动裂变包层实现较大能量输出，提供一条可实现的、有较高竞争力的可靠能源技术，即Z箍缩聚变裂变混合能源堆，其具体目的是：

1、给出一种可靠的Z箍缩聚变方案，包括聚变靶丸、重频驱动器、聚变靶室系统，保证聚变堆芯的重频与寿命；

2、给出一种设计简单且结构合理的混合堆包层，与聚变堆芯相符，能够长久地保持合适的能量放大，保证能量输出，同时保持氚增殖；

3、给出一种简单、容易实现的燃料循环方式，包括裂变燃料循环、聚变燃料循环，保证聚变裂变混合堆持续高效地运行。

本发明目的通过下述技术方案来实现：一种Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，包括Z箍缩惯性约束聚变堆芯、次临界裂变包层及能量输出系统，以及产氚包层和氘氚循环系统；所述聚变堆芯包括聚变负载及聚变靶、聚变驱动器和支持聚变连续运行的聚变靶室；聚变负载及聚变靶包括圆盘形上下电极板、位于上下电极板中心的半椭球形聚能电极、设置于上下电极板圆周的由数根金属微带排列而成的微带阵列、位于金属微带阵列对称轴上的薄壁圆筒形能量转换体，以及位于能量转换体中心的多层薄球壳结构的Z箍缩聚变靶丸；所述次临界裂变包层及能量输出系统包括次临界包层、冷却环路、蒸汽发生器和稳压器；所述产氚包层及氘氚循环系统包括产氚包层、堆芯余氚回收系统和堆外氚工厂；聚变靶与聚变负载安装在可更换传输线末端，并位于聚变靶室中心；换靶机构设置于聚变靶室上方，聚变靶室下方设有尾料回收孔道，聚变驱动器与聚变负载通过贯穿聚变靶室的电流传输线相接；次临界包层包覆于聚变靶室之外，通过冷却环路与蒸汽发生器和稳压器相接；所述产氚包层包覆于次临界包层之外，产氚包层与堆芯余氚回收系统和堆外氚工厂分别相接。

作为优选，聚变靶室包括换靶缓冲腔室、换靶孔道、活塞卡箍式换靶机构、安装臂和滑轨小车，通过滑轨小车将可更换传输线沿轨道送至位于聚变靶室顶部的换靶孔。

作为优选，聚变驱动器包括由数个标准单元模块组成的初级脉冲功率源、长距离电流传输线、电流汇流系统；其中，初级脉冲功率源包括并联运行的60路脉冲功率模组，每路模组由60个标准单元模块串联组成；长距离同轴传输线包括60路相互独立的传输线，传输线主要由两个同轴的薄壁圆筒组成，内外筒之间的间隙处于10^-3Pa的高真空状态，间隙距离在厘米至10厘米级；传输线前端分别与60路脉冲功率模组耦合，将脉冲功率模组产生的高功率电流脉冲向中心传输；电流汇流系统包括两部分：一部分为固定式的双层同轴薄壁圆台形整体结构，其上端与60路相互独立的长距离同轴传输线相联，下端与RTL相联；另一部分为双层同轴薄壁圆锥形结构的可更换传输线，聚变负载及聚变靶安装在其末端。

作为优选，次临界包层由数个结构相同的模块组成，构成横截面为六边形的轴对称体；每个模块可分为上小下大的梯形上部、矩形中部和上大下小的梯形下部，每个模块有独立的冷却管道和氚载带管道，每个模块由内向外依次为：第一壁、燃料区、产氚区和屏蔽区。

作为优选，氘氚循环系统包括聚变靶室剩氚回收区、产氚及提氚区，以及泄漏氚回收区。

作为优选，Z箍缩聚变堆芯由聚变驱动器驱动，通过脉冲功率传输系统把电脉冲功率注入到聚变负载，将电能转换为Z箍缩能量，压缩并驱动高增益Z箍缩聚变靶丸内爆，使靶丸中的DT热核燃料瞬间达到极高的温度和密度，从而发生聚变反应释放出高能聚变中子；聚变中子进入次临界裂变包层，使得包层中的U-238发生大规模裂变反应将能量放大，次临界裂变包层的能量输出系统将次临界裂变包层产生的热能载出，然后转换为电能输出；产氚包层布置在次临界裂变包层外面，利用裂变包层泄露的裂变中子与产氚包层中的Li-6反应产生氚，氚通过提取、分离、纯化进入堆外氚工厂，同时聚变靶室中未燃烧的氚通过聚变靶室剩氚回收系统进入氚工厂，再注入聚变靶室，实现氚燃料循环。

本发明的实现原理为：

Z箍缩聚变堆芯：由具备低重频运行能力的大电流驱动器（如LTD）通过脉冲功率传输系统把数百TW电脉冲功率注入到Z箍缩负载，将电能转换为Z箍缩能量，压缩并驱动高增益Z箍缩聚变靶丸内爆，使靶丸中的DT热核燃料瞬间达到极高的温度和密度，从而发生聚变反应释放出14MeV高能聚变中子。

次临界裂变包层及能量输出系统：聚变中子进入次临界包层，充分利用一次裂变反应平均放能（约200MeV）和释放中子数（~2.5）远大于一次聚变反应（17MeV和1个中子）的特点，实现能量放大，能量输出系统将次临界包层产生的热能载出，然后转换为电能输出。初装天然铀或贫铀燃料吸收高能中子，部分U-238发生裂变反应释放能量；部分U-238转换为Pu-239实现核燃料增殖，当裂变产物积累到一定程度后，燃料组件机械性能下降，需要进行简单后处理，除去裂变产物，返回裂变包层外区，实现裂变燃料循环。

产氚包层及氘氚循环系统：是实现氘氚燃料循环使得聚变堆芯长期自持运行。产氚包层布置在次临界包层后面，充分利用产生的裂变中子，与增殖包层中的Li-6反应产生氚，为混合堆聚变堆芯的稳定运行提供必需的聚变燃料氚。氚通过提取、分离、纯化进入堆外的氚工厂，同时聚变靶室中未充分燃烧的氚也通过回收系统进入氚工厂，最终在制靶工厂中制成聚变燃料靶，通过换靶系统注入靶室，实现氚燃料循环。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供一种Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，其具备如下优点：

1、Z箍缩聚变堆芯采用LTD重频驱动器产生高功率电流脉冲，驱动局部整体点火靶发生聚变反应，聚变靶室系统设计合理，能够支持聚变连续稳定运行，基于整体点火技术的惯性约束聚变堆芯方案实现性强且性能可靠；

2、次临界包层利用高能中子和热中子结合，增殖和裂变可增殖核燃料，提高裂变资源利用效率，充分利用贫铀和钍；

3、结合只去除部分裂变产物而不进行同位素分离的简化后处理方法，实现长期燃料平衡循环，在有需要的情况下，亦可嬗变裂变核能核废料，实现裂变核能燃料闭合循环；

4、通过包层产氚区增殖氚、堆芯余氚回收和泄漏氚的回收三者结合，实现聚变堆芯的氚循环；

5、整个聚变裂变混合能源堆布局合理，通过Z箍缩聚变堆芯驱动次临界包层，可提供长期的充足的洁净电力能源。

附图说明

图1本发明混合能源堆的总体结构示意图；

图2是本发明Z箍缩惯性约束聚变堆芯中聚变负载的示意图；

图3是本发明Z箍缩惯性约束聚变堆芯中Z箍缩聚变靶丸的示意图；

图4是本发明Z箍缩惯性约束聚变堆芯中驱动器总体结构示意图；

图5是本发明Z箍缩惯性约束聚变堆芯中换靶结构示意图；

图6 是本发明次临界包层总体构型图；

图7氚回收的流程示意图。

其中：1-Z箍缩惯性约束聚变堆芯，2-次临界裂变包层及能量输出系统，3-产氚包层及氘氚循环系统，11-聚变负载，12-聚变靶，13-聚变驱动器，14-聚变靶室，15-微带阵列，16-能量转换体，17-Z箍缩聚变靶丸，21-次临界包层，22-冷却环路，23-蒸汽发生器，24-稳压器，32-产氚包层，33-堆芯余氚回收系统。

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。

实施例：

如图1-7所示，一种Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，包括Z箍缩惯性约束聚变堆芯1、次临界裂变包层及能量输出系统2，以及产氚包层及氘氚循环系统3；所述聚变堆芯1包括聚变负载11及聚变靶12、聚变驱动器13和支持聚变连续运行的聚变靶室14；聚变负载11及聚变靶12包括圆盘形上下电极板13、位于上下电极板13中心的半椭球形聚能电极、设置于上下电极板13圆周的由数根金属微带排列而成的微带阵列15、位于金属微带阵列15对称轴上的圆筒形能量转换体16，以及位于能量转换体16中心的多层薄球壳结构的Z箍缩聚变靶丸17；所述次临界裂变包层及能量输出系统2包括次临界包层21、冷却环路22、蒸汽发生器23和稳压器24；所述产氚包层及氘氚循环系统3包括产氚区增殖氚、产氚包层32、堆芯余氚回收系统33和堆外氚工厂。聚变靶与聚变负载安装在可更换传输线（RTL）末端，并位于聚变靶室中心；换靶机构设置于聚变靶室上方，聚变靶室下方设有尾料回收孔道，聚变驱动器与聚变负载通过贯穿聚变靶室的电流传输线相接；次临界包层包覆于聚变靶室之外，通过冷却环路与蒸汽发生器和稳压器相接；所述产氚包层包覆于次临界包层之外，产氚包层与堆芯余氚回收系统和堆外氚工厂分别相接。

Z箍缩聚变堆芯由聚变驱动器驱动，通过脉冲功率传输系统把电脉冲功率注入到聚变负载，将电能转换为Z箍缩能量，压缩并驱动高增益Z箍缩聚变靶丸内爆，使靶丸中的DT热核燃料瞬间达到极高的温度和密度，从而发生聚变反应释放出高能聚变中子；聚变中子进入次临界裂变包层，使得包层中的U-238发生大规模裂变反应将能量放大，次临界裂变包层的能量输出系统将次临界裂变包层产生的热能载出，然后转换为电能输出；产氚包层布置在次临界裂变包层外面，利用裂变包层泄露的裂变中子与产氚包层中的Li-6反应产生氚，氚通过提取、分离、纯化进入堆外氚工厂，同时聚变靶室中未燃烧的氚通过聚变靶室剩氚回收系统进入氚工厂，再注入聚变靶室，实现氚燃料循环。

通过下述实施例来详细说明本发明Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆是如何实现上述有益效果的。

1.聚变堆芯包括聚变负载及聚变靶、聚变驱动器和支持聚变连续运行的聚变靶室。

1.1如图2所示，聚变负载及聚变靶包括四个部分：

1）.间距3cm的圆盘形上下电极板以及位于电极板中心的半椭球形聚能电极，电极可使用不锈钢、铜、铝、镍等导电性能良好的材料制作。

2）.数百根金属微带排列成的直径约12cm的圆柱形阵列，每根金属微带宽度1mm~2mm、厚约2m、高3cm、相邻微带之间的间隙为20m~40m，制成微带的材料可以是钨、铝或者其它金属。

3）.位于金属微带阵列对称轴上的由低密度CH硬泡沫制成的薄壁准圆筒形能量转换体。

4）.位于能量转换体中心的多层薄球壳结构的Z箍缩聚变靶丸，如图3所述，该Z箍缩聚变靶丸为球形聚变燃料靶丸，从内朝外依次为DT-重金属-DT-重金属-BE-低密度CH-外层高密度CH。

1.2如图4所示，聚变驱动器主要包括三大组成部分：

1）.由数千个标准单元模块组合而成的初级脉冲功率源。该初级脉冲功率源包含并联运行的60路脉冲功率模组，每路模组由60个标准单元模块串联组成，整个初级功率源以10秒一次的重复频率连续运行。

2）.数十路双层同轴金属导体结构的长距离电流传输线。该长距离同轴传输线包括60路相互独立的传输线，其中每路传输线结构完全相同，主体构型两个同轴的薄壁金属圆筒，内外筒之间的间隙处于10-3Pa的高真空状态，间隙距离在厘米至10厘米级；传输线前端分别与60路脉冲功率模组耦合，将脉冲功率模组产生的高功率电流脉冲向中心传输。

3）.基于高压真空磁绝缘原理的电流汇流系统。电流汇流系统包括两部分：一部分为固定式的双层同轴薄壁圆台形整体结构，其上端与60路相互独立的长距离同轴传输线相联，实现电流由60路支路向中心的汇流，下端与RTL（RTL是“Recyclable TransmissionLine”的缩写）相联；另一部分为双层同轴薄壁圆锥形结构的可更换传输线，该部件为可更换的活动部件，聚变负载及聚变靶安装在其末端，每十秒钟更换一次；汇流系统固定部分末端及RTL前端分别设置有真空密封隔离机构，以确保在RTL更换过程中传输线间隙保持10-3Pa的真空状态。

1.3如图5所示，聚变靶室系统聚变靶室包括换靶结构、换靶杆、换靶孔、安装臂和滑轨小车，通过滑轨小车将可更换传输线送至位于聚变靶室顶部的换靶孔。

其中，换靶结构：通过滑轨小车将质量为100 kg的RTL送到靶室顶部换靶孔，再由安装臂送入靶室安装。安装臂在靶室内行程约15 m，总耗时4.2 s，最大加速度2g，定位精度0.5 mm。聚变靶室和换靶孔缓冲区为2 kPa低真空腔，RTL绝缘间隙为10^-3 Pa高真空腔，换靶过程中气体扩散进入RTL的流量为10-5 mol/s，真空隔离阀动作时间小于1秒即可有效保护高真空。

2.次临界裂变包层及能量输出系统包括次临界包层、冷却环路、以及蒸汽发生器、稳压器、一回路主泵等设备。

高温高压水经过包层后汇总流出，载出热量，在蒸汽发生器与二回路发生热交换，并通过二回路将热量转换为电能；二回路系统利用成熟的压水堆设计和设备。

如图6所示，次临界包层由数个结构完全相同的模块组成，构成横截面为六边形的轴对称体；每个模块可分为上小下大的梯形上部、矩形中部和上大下小的梯形下部，每个模块有独立的冷却管道和氚载带管道。整个次临界包层由多个模块构成，以方便堆的安装、拆卸，确保安全运行。比如：环向分为18段，每段分为上中下三个模块。每个模块有独立的冷却管道和氚载带管道。这种大模块的优点有：整个模块为一个单独部件，方便整体制造；单独模块重量适中，模块总数较少，可用装卸料小车和轨道进行移动和安装；每个模块单独的进水口和出水口，简化冷却回路，增强安全性。

每个模块由内向外依次是：第一壁、燃料区、产氚区、屏蔽层，其中燃料区和产氚区均有金属盒包围。第一壁选择Mo或W-Mo合金构成，其熔点高、强度较高，对中子学性能影响较小。燃料选择U-10Zr合金，包壳为锆合金，冷却剂为采用与压水堆参数相同的高温高压水。氚增殖材料采用Li₄SiO₄，并用高的Li-6丰度，利用轻水慢化产氚区中子，利用氦气载带出氚。

3.燃料区的选择依据是：

1）.Zr的中子吸收截面小，有利于获得好的核性能；金属铀导热系数大，有利于热工水力设计，并可用粉末冶金方法将核燃料制成块状部件，获得好的核性能；燃料部件可容纳裂变气体，延长换料时间。

2）.以水做冷却传热介质，一方面水可慢化中子，有利于提高变率和造钚率，使系统获得较大的能量放大倍数和较大的造氚率；另一方面，压水堆技术成熟、经济，水管可承受很高的压力，解决工程上由于高压带来的技术困难。

4.产氚区的选择依据是：

1）. Li₄SiO₄小球，利于氚释放，高的Li-6可吸收热中子，提高产氚率。

2）.慢化材料用轻水，其具有良好的慢化性能，水管外包隔热材料和防氚渗透材料，提高Li₄SiO₄区的温度至500℃以上，使氚的在线提取成为可能。

3）.整个造氚区用耐高温的金属盒包覆，内壁同样须加入隔热层和防氚渗透层，它可在放能区、造氚区出现高温时有效保护造氚区的完整性；在放能区出现事故时，能迅速把余热导出到屏蔽区的金属材料上，可延长核燃料出现熔化的时间。

5.屏蔽层的选择依据是：以尽可能小的质量、经济代价，使中子泄漏率达到小于10-5的水平。可以用轻水（聚乙烯）等慢化中子，用B4C有效吸收中能及热中子，用铁、铅等重材料吸收伽玛光子。

6.用干法实现裂变燃料循环，包括“简单干法”和“高温干法”。

简单干法：把换下来的乏燃料放置在有温控的石墨一类甘锅中，利用燃料的余热升温至1500℃左右，以去除裂变气体和低沸点的裂变产物，能去除的裂变产物主要有：Se、Kr、Rb、Cd、Sr、Sb、I、Xe、Cs等；然后再添加一定量的贫化铀、天然铀或釷（如5年一换料，则需加5t左右。因1个100万kWe电站，每年裂变掉1t铀和钚），混合均匀后，再制成燃料部件，继续使用。

高温干法：让乏燃料在甘锅中自热升温至3400℃左右，这时除前列裂变产物外，还可以使更多的裂变产（有Ag、Eu、In、Sm、Ba、Sn、Pd、Nd、Gd、Tb等）挥发，这有利于燃料核性能的提高。在核燃料循环中，我们应尽量使用“简单干法”，“高温干法”力争数十年用一次。

通过计算，在200年内包层的能量倍增因子M均可保证大于10，包层氚增殖比TBR大于1.15，易裂变核素增殖比大于2.0，这表明该包层设计兼顾了良好的能量放大性能，同时具有良好的增殖性能，可持续燃耗可裂变核素，并且也能够保证裂变燃料氚的自持。该包层设计是一种有别于传统包层的、性能良好且结构较为简单的设计。

7.产氚与氘氚循环

由两方面来保证聚变燃料氚的供应：产氚区增殖氚、堆芯余氚的回收。产氚包层及氘氚循环系统主要包括产氚包层、氚的载出、聚变回收系统、堆外氚工厂等。处理氚的系统大部分可布置在远离堆芯的位置。

氚回收包含三个方面：聚变燃烧的剩氚回收，产氚-提氚，以及泄漏氚安全回收，各自的流程分别为ZEP、TES、ADS/VDS/WDS。如图7所示。

氘氚燃料循环包括等离子体燃烧循环（内循环）及氚增殖循环（外循环）。内循环的实现过程是：通过贮存与换靶系统将贮存的氚输送到汇集系统进行聚变燃烧，大量未燃烧的氘氚及杂质气体（简称排灰气）经过高温过滤和低温泵送到等离子体排灰气处理系统（ZEP）进行氚回收，回收的气体送到ISS系统进行氢同位素分离。外循环主要是通过增殖包层产氚，并用大量气体（一般为He+0.1%H2）将其中的氚载带出来，经过纯化后再进入同位素分离系统实现同位素分离，得到的氘氚再在制成聚变靶丸回到换靶储存系统。氚安全包容系统主要是对循环系统的手套箱及含微量氚的大气进行除氚处理，以满足环境排放、事故状态及应急回收氚的需要。

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Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，其特征在于：包括Z箍缩惯性约束聚变堆芯、次临界裂变包层及能量输出系统，以及产氚包层和氘氚循环系统；所述聚变堆芯包括聚变负载及聚变靶、聚变驱动器和支持聚变连续运行的聚变靶室；聚变负载及聚变靶包括圆盘形上下电极板、位于上下电极板中心的半椭球形聚能电极、设置于上下电极板圆周的由数根金属微带排列而成的微带阵列、位于金属微带阵列对称轴上的薄壁圆筒形能量转换体，以及位于能量转换体中心的多层薄球壳结构的Z箍缩聚变靶丸；所述次临界裂变包层及能量输出系统包括次临界包层、冷却环路、蒸汽发生器和稳压器；所述产氚包层及氘氚循环系统包括产氚包层、堆芯余氚回收系统和堆外氚工厂；聚变靶与聚变负载安装在可更换传输线末端，并位于聚变靶室中心；换靶机构设置于聚变靶室上方，聚变靶室下方设有尾料回收孔道，聚变驱动器与聚变负载通过贯穿聚变靶室的电流传输线相接；次临界包层包覆于聚变靶室之外，通过冷却环路与蒸汽发生器和稳压器相接；所述产氚包层包覆于次临界包层之外，产氚包层与堆芯余氚回收系统和堆外氚工厂分别相接。

2.如权利要求1所述的Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，其特征在于：聚变靶室包括换靶缓冲腔室、换靶孔道、活塞卡箍式换靶机构、安装臂和滑轨小车，通过滑轨小车将可更换传输线沿轨道送至位于聚变靶室顶部的换靶孔。

3.如权利要求1所述的Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，其特征在于：聚变驱动器包括由数个标准单元模块组成的初级脉冲功率源、长距离电流传输线、电流汇流系统；其中，初级脉冲功率源包括并联运行的60路脉冲功率模组，每路模组由60个标准单元模块串联组成；长距离同轴传输线包括60路相互独立的传输线，传输线主要由两个同轴的薄壁圆筒组成，内外筒之间的间隙处于10^-3Pa的高真空状态，间隙距离在厘米至10厘米级；传输线前端分别与60路脉冲功率模组耦合，将脉冲功率模组产生的高功率电流脉冲向中心传输；电流汇流系统包括两部分：一部分为固定式的双层同轴薄壁圆台形整体结构，其上端与60路相互独立的长距离同轴传输线相联，下端与RTL相联；另一部分为双层同轴薄壁圆锥形结构的可更换传输线，聚变负载及聚变靶安装在其末端。

4.如权利要求1所述的Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，其特征在于：次临界包层由数个结构相同的模块组成，构成横截面为六边形的轴对称体；每个模块可分为上小下大的梯形上部、矩形中部和上大下小的梯形下部，每个模块有独立的冷却管道和氚载带管道，每个模块由内向外依次为：第一壁、燃料区、产氚区和屏蔽区。

5.如权利要求1所述的Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，其特征在于：氘氚循环系统包括聚变靶室剩氚回收区、产氚及提氚区，以及泄漏氚回收区。

6.如权利要求1-5中任一所述的Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，其特征在于：Z箍缩聚变堆芯由聚变驱动器驱动，通过脉冲功率传输系统把电脉冲功率注入到聚变负载，将电能转换为Z箍缩能量，压缩并驱动高增益Z箍缩聚变靶丸内爆，使靶丸中的DT热核燃料瞬间达到极高的温度和密度，从而发生聚变反应释放出高能聚变中子；聚变中子进入次临界裂变包层，使得包层中的U-238发生大规模裂变反应将能量放大，次临界裂变包层的能量输出系统将次临界裂变包层产生的热能载出，然后转换为电能输出；产氚包层布置在次临界裂变包层外面，利用裂变包层泄露的裂变中子与产氚包层中的Li-6反应产生氚，氚通过提取、分离、纯化进入堆外氚工厂，同时聚变靶室中未燃烧的氚通过聚变靶室剩氚回收系统进入氚工厂，再注入聚变靶室，实现氚燃料循环。