CN110148478B - 一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂 - Google Patents

一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂‑中子倍增剂，采用复相核壳的球形结构，内核为铍球，球壳为陶瓷态钛酸锂，陶瓷态钛酸锂包覆铍球。本发明为提高填充因子从而增加包层的产氚率，采用优化直径比的两元球床形式。由这种新型增殖‑倍增剂填充的水冷包层克服了铍作为中子倍增剂在事故工况下可能与水接触发生反应产生氢气的问题，从而能够有效提升水冷包层安全性。此外，这种增殖‑倍增剂小球的铍核心产生的倍增中子在释放的过程中必需经过外部包覆的增殖层，可望从宏观上增加中子与增殖剂反应的几率从而提高包层的总体产氚率。

Description

一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂
技术领域
本发明涉及核聚变工程领域，具体是一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂。
背景技术
可控热核聚变能代表着人类能源的未来和希望。作为可控热核聚变两种实现方式之一的磁约束聚变堆(托卡马克装置)的研发历史已经有超过半个世纪，目前世界各国共同筹建的国际热核聚变实验堆(ITER)可望为迈向聚变能发电的工程化目标打下基础。
包层是聚变装置的关键能量转换部件，其主要功能包括：1)氚增殖，产生真空室芯部聚变反应所需的氚，实现装置的氚自持运行；2)能量转换，将聚变反应获得的高能粒子能量转换为更便于利用的热能；3)辐射屏蔽，阻止包层内放射性产物的扩散，包容放射性物质以便进行后处理。因此，包层是聚变能走向应用的关键技术载体之一，而通过增殖剂获得产氚能力又是包层的首要功能。包层根据增殖剂形态的不同可分为固态和液态两类，而根据冷却剂不同可分为水冷和氦冷两类。其中水冷包层采用固体陶瓷态锂化物作为氚增殖剂，轻水作为冷却剂，具有技术成熟、载热能力强、可行性高等优点。
依托于国家磁约束核聚变发展研究专项课题，中国科学院等离子体物理研究所开展了面向中国聚变工程实验堆(CFETR)候选包层概念之一的水冷陶瓷增殖剂包层(WCCB)设计研究。WCCB包层采用Li2TiO3/Be12Ti混合球床作为产氚载体，其中Li2TiO3作为产氚增殖剂，Be12Ti作为中子倍增剂用以强化产氚性能。这种增殖球床具有填充率高，产氚能力强等优点，可满足聚变堆氚自持的需求。但在高温下，Be可与水反应产生氢气，因而在冷却剂丧失事故工况下，由WCCB包层冷却剂流道破口进入增殖区的水可能与Be12Ti发生反应，生成氢气从而增加了事故风险。需要采用能够降低上述风险的新型增殖剂和倍增剂，减小乃至杜绝Be水反应的可能性，从而进一步提高水冷包层事故工况下的安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，以提高总体产氚率，避免发生铍水反应，增强水冷固态包层安全性。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，其特征在于：采用复相核壳的球形结构，球形结构中内核为铍球，球壳为陶瓷态钛酸锂，其中铍球作为倍增区，陶瓷态钛酸锂作为增殖区包覆用以倍增中子的铍球内核，由此兼具氚增殖和中子倍增能力。
所述的一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，其特征在于：设作为倍增区的铍球半径为r1，作为增殖区的陶瓷态钛酸锂厚度为r2，则r1与r2之比为1:m，其中m的大小取决于聚变堆固态水冷包层设计中增殖剂与倍增剂的体积比。
所述的一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，其特征在于：采用优化尺寸比例的两元球床形式，大小球半径比例设为5:1，提高填充因子以增加聚变堆固态水冷包层的产氚率。
所述的一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，其特征在于：利用陶瓷态钛酸锂隔绝铍球和聚变堆固态水冷包层中的水冷剂。通过化学性质稳定的钛酸锂包覆在能够与水发生反应的铍球内核之外，克服了铍在事故工况下可能与水冷却剂接触产生氢气的问题，可有效提升水冷包层安全性。
所述的一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，其特征在于：作为倍增区的铍球产生的倍增中子在释放过程中经过作为增殖区的陶瓷态钛酸锂，以扩大各向同性条件下散射中子进入增殖区的有效立体角，进而增加中子与增殖剂反应的几率以提高聚变堆固态水冷包层的总体产氚率。
本发明的技术效果在于：
本发明提供的一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，将聚变堆固态水冷包层之前运用的独立的陶瓷锂化物增殖剂与铍倍增剂有机结合，采用增殖剂覆盖在外，倍增剂包裹在内的复相核壳的球形结构，充分发挥了钛酸锂化学性质稳定的优点，将其对铍与外界进行了彻底物理隔绝，从本质上避免了事故工况下水冷包层冷却剂通过破口进入增殖区与铍倍增剂发生反应从而产生氢气的潜在风险。此外，这种增殖-倍增剂的铍核心区域产生的倍增中子在释放过程中必然经过外部包覆的增殖层，扩大了各向同性条件下散射中子进入增殖区的有效立体角，可望从宏观上增加中子与增殖剂反应的几率从而提高包层的总体产氚率。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，采用复相核壳的球形结构，球形结构中内核为铍球1，球壳为陶瓷态钛酸锂2，其中铍球1作为倍增区，陶瓷态钛酸锂2作为增殖区包覆用以倍增中子的铍球。
设作为倍增区的铍球1半径为r1，作为增殖区的陶瓷态钛酸锂2厚度为r2，则r1与r2之比为1:m，其中m的大小取决于聚变堆固态水冷包层设计中增殖剂与倍增剂的体积比。在目前的中国聚变试验堆固态水冷包层设计中，增殖剂与倍增剂体积比为144:56，因而可以根据球体积公式计算得出增殖区厚度r2与倍增区半径r1之比m值约为0.53。
本发明利用陶瓷态钛酸锂2隔绝铍球1和聚变堆固态水冷包层中的水冷剂。作为倍增区的铍球2产生的倍增中子在释放过程中经过作为增殖区的陶瓷态钛酸锂1，以扩大各向同性条件下散射中子进入增殖区的有效立体角，进而增加中子与增殖剂反应的几率以提高聚变堆固态水冷包层的总体产氚率。
如图2所示，本发明填充于聚变堆固态水冷包层增殖区3中，其中采用直径比为5:1的两种尺寸聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂小球，两种尺寸的产氚增殖剂-中子倍增剂填充数量之比为1:50。在这种条件下，增殖球床填充率可以由一元球床的0.65提高到0.78左右，因而能显著提高包层的氚产生率。
本发明所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (3)

1.一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，其特征在于：采用复相核壳的球形结构，球形结构中内核为铍球，球壳为陶瓷态钛酸锂，其中铍球作为倍增区，陶瓷态钛酸锂作为增殖区包覆用于倍增中子的铍球；
利用陶瓷态钛酸锂隔绝铍球和聚变堆固态水冷包层中的水冷剂；
作为倍增区的铍球产生的倍增中子在释放过程中经过作为增殖区的陶瓷态钛酸锂，以扩大各向同性条件下散射中子进入增殖区的有效立体角。
2.根据权利要求1所述的一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，其特征在于：设作为倍增区的铍球半径为r1，作为增殖区的陶瓷态钛酸锂厚度为r2，则r1与r2之比为1:m，其中m的大小取决于聚变堆固态水冷包层设计中增殖剂与倍增剂的体积比。
3.根据权利要求1所述的一种聚变堆固态水冷包层产氚增殖剂-中子倍增剂，其特征在于：采用优化尺寸比例的两元球床形式，提高填充因子。
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