CN116848590A

CN116848590A - 封装球

Info

Publication number: CN116848590A
Application number: CN202180079772.7A
Authority: CN
Inventors: 弗朗西斯科·约瑟·卡尔沃·普拉扎; 豪尔赫·弗拉德拉·费尔南德斯; 塞尔吉奥·萨达巴·奇普里安; 萨缪尔·哈
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-10-03
Also published as: EP4006919A1; KR20230144003A; JP2023552979A; WO2022112441A1; CA3199963A1

Abstract

本文提供了一种封装球，包括：燃料芯体；以及封装燃料芯体的笼体，其中笼体包含至少一条通过该笼体的气体传输通道。本文还提供了一种制作封装球的方法、用于聚变反应堆的增殖再生区模块、聚变反应堆以及相关的方法和用途。

Description

封装球

技术领域

本公开涉及一种封装球、制造该封装球的方法、增殖再生区模块、包括所述封装球和/或增殖再生区的聚变反应堆以及其应用。

背景技术

燃料球在核聚变和核裂变过程中都是众所周知的。在核裂变过程中，燃料球通常包括不透水的热解炭外壳，每个外壳内含有大量的燃料颗粒，如TRISO颗粒。

球床也被提议用于聚变反应堆，特别是作为增殖再生区的一部分。在聚变反应堆中，增殖再生区包围产生等离子体的堆芯，通过吸收等离子体产生的中子来提供中子屏蔽作用，提取热能用于发电并增殖氚，这是实现聚变反应自给自足原则所必需的。

现有的再生区可以分为两类：液体(熔融燃料)再生区和固体燃料再生区。液体再生区在高温下因腐蚀而存在热工水力学和材料兼容性问题，而固体再生区则存在与例如氚提取相关的问题。

发明内容

如上所述，现有的用于聚变过程的再生区存在一些限制。因此，有必要提供一种改进措施以解决这些限制。

因此，根据第一方面，提供一种封装球，包括：

燃料芯体；和

封装该芯体的笼体，其中笼体包括至少一条通过该笼体的气体传输通道。

封装燃料芯体的笼体提供结构支撑，并保护芯体免受冲击，同时仍允许气体离开封装球。

根据第二个方面，提供一种形成封装球的方法，包括：

将芯体封装在笼体中，其中笼体具有至少一条通过该笼体的气体传输通道。

根据第三个方面，提供一种用于聚变反应堆的增殖再生区模块，包括：

串联和/或并联连接的多个球床；和

位于每个球床中的多个封装球。

通过将多个球床串联和/或并联连接，可以实现更有效的冷却和氚提取过程。

根据第四个方面，提供一种操作第三个方面中的增殖再生区模块的方法，包括：

向所述增殖再生区模块提供冷却气体流；

使冷却气体从所述增殖再生区模块中提取热量和氚，生成富含氚的受热气体；

从所述增殖再生区模块中移除所述受热气体；以及

从该受热气体中提取氚。

根据第五个方面，提供一种聚变反应堆，包括至少一个根据第一方面的封装球和/或至少一个根据第三方面的增殖再生区模块。

第一方面的封装球和第三方面的增殖再生区模块的使用构成了本公开的其他方面。

根据上述各个方面，解决了现有技术的局限性。特别是，通过将冷却、结构支撑和封装功能分离到封装球的不同组成部分中。增殖再生区模块还具有较低质量的结构材料。因此，提供了改进的封装球、增殖再生区模块及其应用。

这些及其他方面将在下文描述的实施方式中变得明显并得以阐明。

附图说明

现将结合以下附图来描述示例性实施方式，仅作为示例：

图1A显示了根据实施方式的封装球；

图1B显示了根据实施方式的封装球；

图2显示了根据实施方式的在球床中堆放在一起的封装球；

图3显示了根据实施方式的增殖再生区模块。

具体实施方式

封装球

如前所述，本文提供了一种封装球，其包括芯体和封装芯体的笼体。在一些实施方式中，封装球可以是适用于裂变反应堆的燃料球。在一些实施方式中，封装球可以是适用于聚变反应堆增殖再生区的增殖球。在描述类似于这两个系统的组件时，增殖球和燃料球这两个术语可以在本文中互换使用。

笼体包括至少一个穿过该笼体的气体传输通道，以允许气体离开芯体并防止芯体内部压力过度积聚。虽然本公开主要涉及用于核聚变反应堆的增殖再生区的封装球，但可以预见这些球也可以在裂变过程中使用，例如可用于熔融盐反应堆，其中产生气态和挥发性裂变产物，如氙、氪和碘，必须对所述产物进行捕获和处理。在本文中，“笼体”一词被理解为一个三维结构，其中包含一个或多个材料，例如芯体和/或陶瓷壳体。笼体在使用过程中具有足够的结构弹性，以防止变形，从而保护其内容物免于因其他物体碰撞导致的损坏。

封装球包括燃料芯体。在一些示例中，燃料芯体在本文中也可以被称为增殖芯体。在聚变过程中，增殖材料产生氚，氚是聚变过程的燃料，因此在本文中也称为燃料生成核心或燃料芯体。在一些示例中，燃料芯体包括能够生成氚的增殖材料，例如现有聚变过程中已知的材料。用于聚变过程的增殖再生区的工作温度通常高于300℃，因此燃料芯体可以包括在约300℃以上为液态的熔融盐。在增殖再生区可使用许多不同的熔融盐。通常，增殖材料包括锂盐，例如Li₂ ^.BeF₄(FLiBe)，因为在聚变反应堆中通常通过Li⁶(n,α)H³和Li⁷(n,n’,α)H³反应产生氚。FLiBe已知具有较高的氚增殖率(TBR)，熔点为459℃，但其他液态增殖物质如PbLi合金(例如Pb₁₇Li₈₃)或LiF-LiI-LiCl盐也是合适的。应当理解，增殖材料的组成，例如LiF-LiI-LiCl混合物，可以根据操作要求进行调整。

在一些实施方式中，燃料芯体进一步包括氧化还原控制材料，例如金属铍。在燃料芯体包含氟化盐的实施方式中，生成的氚与氟之间的氧化还原反应会形成氟化氚。氟化氚与氢氟酸一样具有腐蚀性，可能会腐蚀增殖再生区的组件，包括笼体(如果由金属制成)。然而，包含诸如金属铍之类的氧化还原控制材料可以防止氟化氚的生成，从而形成双原子(分子)氚。也可以使用其他氧化还原控制物质，例如锆。

封装球包括封装燃料芯体的笼体。在使用中，笼体为燃料芯体以及陶瓷壳体(如有)提供足够的结构支撑或刚度，以防止球之间的接触来避免产生粉尘，承受堆积成的床的重量，并允许由于机械载荷引起的变形，而不会影响氚的提取或封装球的冷却。在一些实施方式中，笼体可以是球形或圆柱形。球形球特别适合堆积成球床，例如本文中所描述的圆柱形球床。

笼体包括至少一条气体传输通道，以允许氚和氦从芯体通过笼体渗透出去。通过这种方式，可以提高氚的提取效率，同时在原位保持熔融盐并防止球内气体的积聚。在一些实施方式中，笼体包括多条气体传输通道，从而提高氚提取的效率。气体传输通道可以是加工的通道，例如通过激光钻孔在笼体上形成约0.5μm的孔。在其他实施方式中，气体传输通道可以通过在笼体内包含孔隙来形成。在其他实施方式中，笼体包括类似于线的结构，例如由编织或非编织纤维构成的网格。在一些示例中，构成编织或非编织网格的纤维的直径小于5mm，例如小于3mm，例如约1mm。在一些示例中，网格可以由单股纤维或多股编织纤维形成。

在一些实施方式中，笼体的直径小于20mm，例如小于15mm，例如约10mm或更小。在一些实施方式中，笼体的厚度小于2mm，例如小于1.5mm，例如约1mm或更小。在一些实施方式中，笼体的内径可大于燃料芯体的外径。在封装球包括包围燃料芯体的陶瓷壳体的实施方式中，笼体的内径可大于陶瓷壳体的外径。因此，在笼体和内部组件之间可以提供间隙。通过在燃料芯体和笼体之间，或者在陶瓷壳体和笼体之间提供间隙，提取的氚可以有效地从燃料芯体渗透出来，从球排出到球床中。

增殖再生区的最大热效率取决于结构材料的最大工作温度。因此，笼体等结构材料的选择在一定程度上受其活化和在高温下的性能的驱动。通过在蠕变区工作，避免过度的循环热应力，可以获得最大的效益。不希望的循环载荷导致蠕变-疲劳交互作用和递进变形。如果材料温度降低得太多，那么脆化辐射效应将成为主导。在一些实施方式中，笼体包括金属笼体，例如由金属合金制成，例如钢。金属合金可以包括低活化的铁素体马氏体钢，或者奥氏体钢或氧化物弥散钢。在核工业中使用的钢是众所周知的。在一种实施方式中，笼体包括或由EUROFER 97制成，即低活化的铁素体马氏体钢。其他合适材料包括已知的钢材MHT-9、ODS、F82H和ORNL 9Cr-2WVTa。在其他实施方式中，笼体包括纤维材料，例如碳纤维或玻璃纤维。在一些实施方式中，纤维材料通过成为多孔纤维材料，例如编织或非编织网格，而具有气体传输通道。在一些实施方式中，笼体包括结构陶瓷，例如二氧化硅或碳纤维复合材料。

在一些实施方式中，封装球包括陶瓷壳体。陶瓷壳体可以是燃料芯体和笼体之间的中间层。在一些实施方式中，陶瓷壳体封闭燃料芯体。在一些实施方式中，陶瓷壳体设置在燃料芯体上并直接接触燃料芯体。

在一些实施方式中，封装球包括位于至少一条气体传输通道内的陶瓷插件。在一些实施方式中，封装球包括多条气体传输通道，每条通道中都有一个陶瓷插件。

在一些实施方式中，陶瓷是多孔的，例如具有透气性，从而允许将气体(氚、氦)从燃料芯体排出到球的外部并流向增殖再生区的其他部分。在一些实施方式中，陶瓷具有透气性，但不透过液体，从而将熔融盐限制在燃料芯体内部。

在一些实施方式中，陶瓷具有透气性，意味着其具有允许氚和/或氦从芯体透过陶瓷壳体渗透到笼体和陶瓷壳体之间的空隙，或者通过放置在笼体的通道中的陶瓷插件进行渗透的孔隙尺寸，从而气体可以透过笼体进行传输。为了允许气体渗透同时防止液态氚增殖材料泄漏，所需的孔隙尺寸将取决于增殖再生区的工作温度，也取决于多孔陶瓷两侧的压力差。通常，孔隙尺寸小于1μm，例如小于0.5μm，例如小于0.25μm，例如小于0.1μm。控制陶瓷孔隙尺寸的方法在本领域是已知的，例如通过加入牺牲性模板材料并控制烧结时间和/或烧结温度。

陶瓷可以包括选取的对燃料芯体的熔融盐具有惰性的材料。陶瓷可以包括选取的能够承受增殖再生区的工作温度的材料，所述工作温度可以轻松达到超过300℃，并且可以超过900℃。例如，陶瓷可以包括从二氧化硅、多孔石墨、碳化硅、碳化锌、碳化钛及其混合物中选取的材料。

在这些实施方式中，陶瓷保护增殖再生区的其余部分免受工作期间的熔融核心的腐蚀性质的影响，同时还保护笼体免受工作期间的燃料芯体的高温影响，因为在这些温度下的循环热操作会对金属产生应力，并通过变形和疲劳对笼体的使用寿命产生负面影响。陶瓷的多孔性或透气性还允许气态氚和氦从核心渗透出来，防止内部压力积聚，同时防止熔融燃料的泄漏。当存在时，陶瓷由金属笼体保护免受物理磨损或磨蚀的影响。

在一些实施方式中，封装球内设置气穴。在一些实施方式中，气穴位于设置在笼体内的陶瓷壳体内。在一些实施方式中，笼体配备有陶瓷插件，气穴位于笼体内。在一些示例中，气穴中包含冷却气体，该冷却气体可以与增殖再生区中使用的冷却气体相同，也可以是不同的冷却气体。在一些示例中，冷却气体包括氮气、氦气、氪气、氙气。在封装的燃料球内提供一定体积的冷却气体可以适应燃料芯体内部的压力变化，并在燃料球内提供可以在从燃料核渗出之前对氦和分子氚进行脱附或脱气的位置。

在图1A和1B中提供了封装球的示例。这些示例显示了特定的实施方式，例如使用金属笼体，但应理解这仅仅是示例，其他配置和材料也是可能的。图1A显示了封装球100的结构，其包括作为最外层壳体的金属笼体102、位于金属笼体102内部的陶瓷壳体108、以及位于陶瓷壳体108内部的燃料芯体110。金属笼体102上设有多个孔或气体传输通道104，允许气体双向流动。如上所述，气体传输通道104允许燃料芯体110中生成的氦和氚流出封装的燃料球100。尽管图1A中没有明确示出(但在下面描述的图2中有显示)，金属笼体102的内半径大于陶瓷壳体108的外半径，从而在金属笼体102和陶瓷壳体108之间提供了间隙。这个间隙意味着冷却气体可以进入金属笼体102和陶瓷壳体108之间的空间，并直接冷却陶瓷壳体108，增加冷却过程的效率。在陶瓷壳体108内部，设置燃料芯体110。燃料芯体110可以包括锂盐，例如前面提到的FLiBe。从聚变堆逃逸出等离子体的中子与锂发生反应，增殖氚。在陶瓷壳体108中设置冷却气穴106，分子氚和氦气可以从燃料芯体110中脱附到冷却气穴106中，然后通过多孔陶瓷壳体108渗透并通过气体传输通道104从封装的燃料小球100中排出。为了控制燃料芯体110内的氧化还原反应并最小化产生腐蚀性氚氟化物的数量，还在燃料芯体110中包含了诸如金属铍之类的氧化还原材料112的种子。

图1B显示了另一种封装球100的结构。图1B中的封装球100具有与图1A中的封装球100相同的金属笼体102，但用陶瓷插件114代替了陶瓷壳体108。陶瓷插件114被插入到金属笼体102的气体传输通道(未标号)中，从而为氚和氦提供了可透气但不透过熔融盐的路径，使其能够从封装球100中排出。与图1A的封装球类似，在金属笼体102内设置气穴106，最初填充有冷却气体，但在操作过程中氚和氦可脱附到其中。虽然未显示，但燃料芯体110中也会包含氧化还原材料的种子，以防止形成会降解金属笼体102的腐蚀性材料。

图2显示了多个封装球堆积在一起的示意图，例如，如存在，多个封装球堆积在本文所述的增殖再生区模块的球床中。图2的左侧部分展示了金属笼体102(不包含封装球的任何内部组件)可以堆放在一起的示例。每个金属笼体102都设有多条气体传输通道，与金属笼体102之间的空隙以及其他金属笼体102的气体传输通道相流体连通。因此，当存在于球床中时，多个金属笼体102形成的主体提供了冷却气体流动的网状网络。图2的右侧部分显示了基于与图中左侧部分金属笼体102相同堆积方式的多个封装球100形成的堆积床。可以看到，陶瓷壳体108的外部尺寸小于金属笼体102的内部尺寸，从而二者之间为冷却气体提供了流动路径。为完成封装球，陶瓷壳体108内配备了燃料芯体110和气穴106，如上所述。

封装球的形成方法

本文还描述了一种形成封装球的方法，包括：将燃料芯体封装在笼体内，其中笼体包括至少一条通过该笼体的气体传输通道。封装球可以如上所述。

如本领域技术人员所理解，对于封装球的各种组件，可以采用多种不同的制备方法。

例如，已知一种在牺牲性支撑物(如聚苯乙烯)上形成小型空心金属球的方法(https://www.hollomet.com/en/home.html)。在该方法中，将支撑物放置在流化床中，然后通过喷涂沉积方法，将金属粉末与粘结剂(例如水)的悬浮液喷涂到支撑物的表面上。热处理可以烧掉牺牲性支撑物和粘结剂，留下空心金属球的坯体，然后该坯体在受控的条件下烧结，形成具有定义的孔隙率的金属笼体。接下来，可以通过激光钻孔在笼体上形成开口，通过该开口插入燃料，并通过焊接来封闭该开口。例如，可以通过激光钻孔形成穿过金属笼体的至少一条气体传输通道。例如，激光钻孔技术能够准确地提供直径为0.5μm的孔洞。

在另一种工艺中，可以像上述方法一样，在牺牲性支撑物上形成金属半球。在牺牲性支撑物和有机粘结剂被烧尽、金属半球烧结后，可以在第一个半球中布置燃料芯体，该半球将成为金属笼体的第一部分，然后将第二个半球作为金属笼体的第二部分与第一个半球连接，以封装燃料芯体。例如，可以通过焊接等方式将这两个半球连接，以封装燃料芯体。

如上所述，空心陶瓷球或半球也可以在牺牲性支撑物上形成(https://www.hollomet.com/en/home.html)。在陶瓷壳体内设有气穴的实施方式中，与气穴尺寸相同的牺牲性支撑物可与成型的燃料芯体结合使用以作为陶瓷沉积的模板，然后将牺牲性支撑物烧尽。陶瓷生坯可以随后在受控条件下烧结，以产生具有定义的孔隙度的陶瓷壳体。陶瓷中孔隙大小的控制在本领域是已知的：例如，参见Isobe等人的文章《Pore size controlof Al2O3ceramics using two-step sintering》，Ceramics International(2012)，Vol38(1),787-793，其中描述了控制孔隙尺寸的形成，以提供最低为22nm的平均孔隙大小，并介绍了确定孔隙大小的方法。在一种实施方式中，通过形成两个陶瓷半球，将燃料芯体布置在其中一个陶瓷半球中，并将这两个半球连接在一起以封装燃料芯体，从而形成包围燃料芯体的陶瓷壳体。可以通过提供带形物，例如围绕这两个半球并将两个半球夹紧在一起的金属带，来将这两个半球连接。

用于聚变反应堆的增殖再生区模块

本文还描述了一种用于聚变反应堆的增殖再生区模块，包括：串联和/或并联连接的多个球床；以及位于每一个球床中的多个封装球。多个封装球中至少一个封装球，但在一些示例中为全部封装球，是如上所述的球。在一些示例中，球床可以被称为燃料床，因为反应堆的氚燃料是在该床内生成的。

在床阵列中，球床可以平行排列。在一些示例中，多个球床中的每一个球床通过进气歧管和出气歧管分别与进气口和出气口相流体连通。进气歧管可以连接到冷却气体的源头，例如氮气、氦气或氪气的源头。冷却气体流经球床具有两个目的，即：为封装球提供冷却和提取生成的氚。出气歧管可以配置为将氚循环回聚变反应堆的等离子体中作为燃料。

在一些示例中，进气歧管和出气歧管中的一个或两个都设有容腔，用于接收并允许堆积从封装燃料球中泄漏的任何增殖材料，以避免对增殖单元性能产生任何影响。

在一些实施方式中，每一个球床都是长形床。每一个球床可以是圆柱形的，这样可以有效地装填封装球。但是，也可以设想其他配置。在一种实施方式中，球床包括蜂窝状结构，其中每个床与相邻床至少共用一个壁。无论床的几何形状如何，每个床都可以具有第一端和第二端，在一种实施方式中，进气歧管配置为与第一端接合，出气歧管配置为与第二端接合，以使多个床并联连接在一起。

在一些实施方式中，进气歧管和出气歧管被配置为限定经过多个床的一条或多条流通路径。例如，多个床中的每一个床设置于至少两个床组中的一个组，这些床组可以根据歧管配置限定的流通路径进行划分。至少两个床组中的第一组可以限定从进气口经由第一组中至少一个床到达出气口的第一气体流通路径，第二组限定了从所述进气口经由第二组中至少一个床到达所述出气口的第二气体流通路径。从该进气口到该出气口，第一气体流通路径和第二气体流通路径可以并联连接，尽管可以理解，在任何运行时刻，一个床中的气体流动可能与相邻或非相邻床中的气体流动相反。然而，在每一个床组内，每一个床与至少一个其他床串联连接。也就是说，例如，冷却气体从一个床的底部或第一端流出，然后返回到下一个床的底部或第二端。床组的数量可以根据总床数和冷却气体的流通路径或最佳流通路径来选择，以为封装球提供所需的冷却。在一种实施方式中，歧管被配置为在从最靠近等离子体的床开始的一条或多条流通路径上引导冷却气体，以为那些最需要冷却的床提供最大的冷却效果，然后继续流向与增殖再生区模块的前方(等离子体一侧)间隔开的床。

多个燃料床可以是长形床，每一个床具有一个或多个壁，所述一个或多个壁限定了容纳封装球的内部容积。床的一个或多个壁可以由适用于聚变反应堆增殖再生区的任何合适材料制成，例如前面关于封装球的笼体的描述所提到的低活化铁素体马氏体钢。

在一些实施方式中，为了最大化氚提取过程，多个床设有氚渗透屏障涂层，例如氧化铬(Cr₂O₃)或氧化铝(Al₂O₃)涂层。这确保氚从床流过出气歧管，并在此可以被提取并送到反应堆等离子体。

在一些实施方式中，多个床彼此间隔开，彼此之间具有空隙。相邻床之间的空隙中可以提供中子倍增材料，例如硫化铅。增殖再生区中的中子倍增材料是已知的，可以用于提高增殖材料的氚增殖比。因此，可以理解，也可以使用其他中子倍增材料，例如Zr₅Pb₄、纯铍或Be₁₂Ti。在一些实施方式中，中子倍增材料以球床的多个球的形式或压缩粉末床的形式设置于冷却管或床之间。

在一些实施方式中，增殖再生区模块中设置有中子反射板。中子反射板可以设置在增殖床的后方，从而，在使用中，床位于反射板和第一壁之间。反射板的使用可以提高增殖再生区的中子经济性，同时也可以生成更多的氚，这意味着可以减少增殖再生区模块的总厚度。在一些实施方式中，中子反射板包括或由中子反射材料构成，例如碳化钨或硼化钨。在一些实施方式中，中子反射板包括钢壳，例如EUROFER 97钢壳，其中填充有中子反射材料，例如碳化钨或硼化钨。在一些实施方式中，中子反射板具有冷却装置。在一些实施方式中，中子反射板具有供应冷却剂的入口和出口，所述冷却剂例如是上述的冷却气体或液体冷冻剂。

在一些实施方式中，多个燃料床中至少有两个封装球包含具有相同组成的燃料芯体。在其他实施中，至少有两个封装球包含具有不同组成的芯体。例如，在一个实施方式中，至少有两个封装球包含Li₂ ^.BeF₄芯体，而在另一实施方式中，至少有一个封装燃料球包含Li₂ ^.BeF₄芯体并且至少有一个封装燃料球包含不同于Li₂ ^.BeF₄的芯体。

在一些实施方式中，增殖再生区模块设置成与聚变反应堆的第一壁部件接合。在一些实施方式中，聚变反应堆是托卡马克，例如球形托卡马克。在一些实施方式中，球形托卡马克可以是紧凑型球形托卡马克。在一些实施方式中，增殖再生区模块布置成，在使用中，在例如球形托卡马克的聚变反应堆中，燃料床沿极向方向取向。在一些实施方式中，多个燃料床被排列成阵列，第一行或第一列燃料床靠近聚变反应堆的第一壁部件排列，而后续行或列燃料床则排列在第一行或第一列燃料床的后方。

图3显示了增殖再生区模块的示例。增殖再生区模块200包括多个球床202，多个球床202呈多个长形的圆柱形单元。每一个球床，也可以称为增殖单元，配备有多个封装燃料球，例如，如本文所述的燃料球。然而，应当意识到，可以使用其他能够在聚变过程中增殖氚的球。球床202的端部连接进气歧管204和出气歧管206并被封顶。歧管204和歧管206分别配设有进气口208和出气口210，尽管注意到气体流动方向是任意的，并且可以相反，这意味着特征210可以用作进气口，特征208可以用作出气口。反射板212，其包含中子反射材料，设置在增殖再生区模块200的后端(在使用中)，并且配设有用于冷却剂流的单独的连接器214和216。应当理解，图中未示出增殖再生区模块200的其他组件，例如支撑结构，以及将其与反应堆连接的其他组件的手段。特别地，增殖再生区模块200可以配设有外壳或壁，以允许在相邻床202之间以及床202与该外壳或壁之间填充中子倍增材料层。增殖再生区模块200可以配置为与聚变反应堆的第一壁部件连接、交互或接合。

操作增殖再生区模块的方法和用途

本文还描述了一种操作增殖再生区模块的方法，包括：向增殖再生区模块提供冷却气体流；使冷却气体从增殖再生区模块中提取热量和氚，以提供富含氚的受热气体；从增殖再生区模块中移除受热气体；并从受热气体中提取氚。增殖再生区模块可设置于聚变反应堆中，并且可被反应堆加热。冷却气体可以是从氮气、氦气和二氧化碳中选取的一种或多种冷却气体。

本文还描述了包括本文所述的封装球和/或增殖再生区模块的聚变反应堆，连同描述了本文所述的封装球在聚变反应堆或裂变反应堆中的应用，并且描述了本文所述的增殖再生区模块在聚变反应堆中的应用。聚变反应堆可以是托卡马克反应堆，例如球形托卡马克反应堆。

对封装球和包含所述封装球的增殖再生区模块的建模研究表明，在聚变反应堆中使用所述球和增殖再生区是可行的且可操作的。

在实践本文所述的原理和技术时，本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及所附的权利要求，可以理解和实施本文公开的实施方式的各种变形方式。在权利要求中，词语“包括”并不排除其他要素或步骤，不定冠词“一”并不排除复数。仅仅因为某些手段在互不相同的从属权利要求中被描述，并不意味着这些手段的组合不能被有利地使用。权利要求中的任何参考标记不应解释为对范围的限制。

Claims

1.一种封装球，包括：

燃料芯体；和

封装燃料芯体的笼体，其中所述笼体包含至少一条通过该笼体的气体传输通道。

2.如权利要求1所述的封装球，其中所述笼体包含多条气体传输通道。

3.如权利要求1或2所述的封装球，还包括：

陶瓷壳体，其容纳在所述笼体内并包围所述燃料芯体；和/或

陶瓷插件，其设置在所述至少一条气体传输通道中。

4.如权利要求3所述的封装球，其中所述陶瓷壳体和/或陶瓷插件包括透气性陶瓷。

5.如权利要求4所述的封装球，其中所述透气性陶瓷包括透气性二氧化硅、透气性石墨或透气性碳化硅。

6.如权利要求4或5所述的封装球，其中所述透气性陶瓷包括多孔陶瓷，其孔半径小于0.25μm。

7.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述笼体的内径大于所述燃料芯体的外径。

8.如权利要求3至7中任意一项所述的封装球，其中所述笼体的内径大于所述陶瓷壳体的外径。

9.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述燃料芯体包括增殖材料，例如能够产生氚的增殖材料。

10.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述燃料芯体包括熔融盐，其在核反应堆约300℃的工作温度以上时为液态。

11.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述燃料芯体包括锂盐，例如Li₂ ^.BeF₄。

12.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述燃料芯体还包括氧化还原控制材料，例如金属铍。

13.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中在封装的燃料球中设置有气穴。

14.如权利要求13所述的封装球，其中所述笼体内容纳有陶瓷壳体，所述气穴设置在该陶瓷壳体中。

15.如权利要求13或14所述的封装球，其中在所述气穴中提供有冷却气体，例如氮气或氦气。

16.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述笼体为金属笼体，例如包含诸如钢的金属合金的金属笼体。

17.如权利要求16所述的封装球，其中所述金属合金包括低活化铁素体马氏体钢。

18.如权利要求1至17中任意一项所述的封装球，其中所述笼体为球形或圆柱形。

19.一种形成封装球的方法，包括：

将燃料芯体封装在笼体内，其中所述笼体包含至少一条通过该笼体的气体传输通道。

20.如权利要求19所述的方法，包括：

在笼体的第一部分中设置燃料芯体；和

将笼体的第二部分与所述第一部分连接，以封装该燃料芯体。

21.如权利要求19所述的方法，包括：

形成笼体；

在该笼体上形成开口；

通过该开口插入燃料，以在所述笼体内形成燃料芯体；以及

密封所述开口以封装所述燃料芯体。

22.如权利要求19至21中任意一项所述的方法，包括：

形成至少一条通过所述笼体的气体传输通道，例如形成通过所述笼体的多条气体传输通道。

23.如权利要求22所述的方法，其中形成至少一条气体传输通道包括：对所述笼体进行激光钻孔，以形成所述至少一条气体传输通道。

24.如权利要求22所述的方法，其中形成至少一条气体传输通道包括：在形成所述笼体的烧结过程中控制该笼体的多孔性。

25.如权利要求19至24中任意一项所述的方法，包括：

形成包围所述燃料芯体的陶瓷壳体；和

将形成的陶瓷壳体封装在所述笼体内。

26.如权利要求19至25中任意一项所述的方法，其中所述封装球为权利要求1至20中任意一项所述的封装球。

27.一种用于聚变反应堆的增殖再生区模块，包括：

串联和/或并联连接的多个球床；和

位于每一个球床中的多个封装球。

28.如权利要求27所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床中的每一个球床经由进气歧管和出气歧管与进气口和出气口分别流体连通。

29.如权利要求27或28所述的增殖再生区模块，其中每个球床为长形床，其具有第一端和第二端，并且进气歧管配置成与所述第一端接合，出气歧管配置成与第二端接合。

30.如权利要求27至29中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床中每一个球床设置在至少两个球床组之一组中。

31.如权利要求30所述的增殖再生区模块，其中，所述至少两个球床组中的第一组限定了从进气口通过所述第一组的至少一个球床到达出气口的第一气体流通路径，所述至少两个球床组中的第二组限定了从所述进气口通过所述第二组的至少一个球床到达所述出气口的第二气体流通路径。

32.如权利要求31所述的增殖再生区模块，其中所述第一气体流通路径与第二气体流通路径自所述进气口至所述出气口并联连接。

33.如权利要求30至32中任意一项所述的增殖再生区模块，其中每一个球床组中的每一个球床与同一球床组中的至少一个其他球床串联连接。

34.如权利要求27至33中任意一项所述的增殖再生区模块，其中在相邻球床之间的空隙中设有中子倍增材料，例如硫化铅。

35.如权利要求27至34中任意一项所述的增殖再生区模块，还包括中子反射板，其包含中子反射材料，例如碳化钨。

36.如权利要求27至35中任意一项所述的增殖再生区模块，其中该增殖再生区模块配置成与聚变反应堆的第一壁部件接合。

37.如权利要求27至36中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床形成蜂窝状结构。

38.如权利要求37所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床中每一个球床与相邻球床共用至少一个壁。

39.如权利要求27至38中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述增殖再生区模块布置成：在使用中，在聚变反应堆中，球床沿极向方向取向。

40.如权利要求27至39中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述多个封装球中至少一个封装球为权利要求1至20中任意一项所述的封装球。

41.如权利要求40所述的增殖再生区模块，其中至少两个封装球包含具有相同组成的燃料芯体，或者至少两个封装球包含具有不同组成的燃料芯体。

42.如权利要求41所述的增殖再生区模块，其中至少两个封装球包含Li₂ ^.BeF₄芯体，或者，至少一个封装的燃料球包含Li₂ ^.BeF₄并且至少一个封装的燃料球包含不同于Li₂ ^.BeF₄的芯体。

43.如权利要求27至41中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床包含低活化铁素体马氏体钢壁。

44.如权利要求27至41中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床设有氚渗透屏障涂层，例如氧化铬(Cr₂O₃)或氧化铝(Al₂O₃)涂层。

45.一种操作权利要求27至44中任意一项所述的增殖再生区模块的方法，包括：

向所述增殖再生区模块提供冷却气体流；

使冷却气体从该增殖再生区模块中提取热量和氚，以提供富含氚的受热气体；

从该增殖再生区模块中移除受热气体；以及

从所述受热气体中提取氚。

46.如权利要求45所述的方法，其中增殖再生区设置在聚变反应堆中，并被封装球中的氚增殖反应和/或堆芯中的等离子体加热。

47.如权利要求45或46所述的方法，其中所述冷却气体包括从氮气、氦气和二氧化碳中选取的一种或多种冷却气体。

48.一种聚变反应堆，包括根据权利要求1至20中任意一项所述的封装球和/或根据权利要求27至44中任意一项所述的增殖再生区模块。

49.根据权利要求1至20中任意一项所述的封装球在聚变反应堆或裂变反应堆中的应用。

50.根据权利要求27至44中任意一项所述的增殖再生区模块在聚变反应堆中的应用。