CN203552710U

CN203552710U - 氚增殖包层系统中的氚增殖包层本体

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Publication number: CN203552710U
Application number: CN201320607739.XU
Authority: CN
Inventors: 罗天勇; 张建利
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2023-09-29

Abstract

一种聚变堆氚增殖包层系统中的氚增殖包层本体，其是由第一壁、格板、中子倍增球床、后板组成，其中第一壁、格板、后板中都含有冷却管道作为冷却剂和氚增殖剂的氘氧化锂重水溶液在管道中有序流动。本实用新型相比传统的液态包层系统，该系统规避了液态金属流动带来的磁流学问题，液态金属对结构材料的腐蚀问题，提高了包层系统的安全性。该系统涉及的一回路和重水提氚技术已在重水堆中规模化应用，相比现有的固液氚增殖包层方案，技术成熟可靠。

Description

氚增殖包层系统中的氚增殖包层本体

技术领域

本实用新型属于聚变氚增殖包层技术领域，具体涉及一种新的聚变氚增殖包层系统方案，用于解决国际热核聚变实验堆(ITER)后的氘氚聚变技术研究装置、聚变工程技术实验堆以及聚变示范堆的氚自持问题。

背景技术

根据目前的磁约束等离子体聚变控制技术发展趋势，国际热核聚变实验堆(ITER)后的磁约束聚变示范堆将主要采用氘氚作为基本燃料。氘在自然界中的含量较为丰富，但氚在自然界中含量极为稀少（大气中总量不足1公斤），必须通过聚变堆的氚增殖包层实现氚自持（既一个氚参与聚变反应产生一个中子，该中子被增殖包层中的锂吸收又产生一个氚继续参与聚变反应）。一般采用包层产氚率（TBR）来反映氚增殖包层概念设计是否能满足聚变堆氚自持的需要。一般来说氚增殖包层的TBR应该大于1，考虑到氚在循环过程中的损失以及为下一个聚变堆装置提供足够的启动氚以尽快实现聚变堆的规模倍增，一些学者认为ITER后的聚变示范堆的TBR应该大于1.15。这对聚变堆氚增殖包层的概念设计而言是一个很严峻的挑战。

国际上曾经就如何实现聚变堆的氚自持提出过多种氚增殖包层概念，经过长期的研究比较，目前主要有两大类概念，一类围绕固态氚增殖剂，采用氦冷或水冷的方式，以低活性铁素体/马氏体（以下简称RAFM）钢为结构材料的固态氚增殖包层概念，而另一类则是围绕液态锂铅增殖剂，采用单冷或双冷的方式，以RAFM钢为结构材料的液态氚增殖包层概念。而中国选择了固态氚增殖剂/氦冷/RAFM钢氚增殖包层概念（HCCB）和液态锂铅增殖剂/双功能/RAFM钢氚增殖包层概念（DFLL）加以研究发展。

其中，氦冷固态增殖剂（HCCB）包层概念设计采用2×6的模块化设计，模块尺寸按1/2垂直实验窗口布置；氚增殖剂采用Li4SiO4的锂陶瓷小球，中子倍增剂采用铍金属微球，均为球床结构；结构材料采用低活化RAFM钢；8MPa压力、进出口温度分别为300℃和500℃的氦气作为冷却剂。双功能液态锂铅(DFLL)包层概念设计也按照1/2垂直实验窗口布置，采用低活化RAFM钢作为结构材料，采用氦气冷却结构部件；单冷模式时，液态锂铅仅作为增殖剂而不作为冷却剂，锂铅流动速度慢（<1mm/s），出口温度较低（～400℃）；双冷模式时，液态锂铅不仅作为增殖剂而且作为冷却剂携带核热，锂铅流动速度快(～10mm/s)，出口温度较高（700℃）。

与液态锂铅氚增殖包层概念相比，固态氚增殖包层概念比较安全可靠，没有液态锂铅在磁约束聚变装置的强磁场下流动带来磁流学问题。但缺点也很突出，就是在今后的聚变示范堆中如何实现在线换料问题。国外一些专家提出了利用固态氚增殖包层球床自身特有的类似液体的流动性，用载气吹动小球，让固态氚增殖剂也“流动”起来，从而实现换料。但对目前中国的氦冷固态增殖剂（HCCB）包层概念设计而言，这种换料方式实现起来比较困难，主要是由于中国的HCCB包层概念设计采用了子模块的概念，相比欧洲和日本的固态氚增殖包层模块，内部结构要复杂得多，导致提氚载气的流动路径非常曲折，特别是球床区和提氚载气管道之间采用了栅栏，使锂陶瓷小球的流动变得不可能。

从提氚技术角度，HCCB和DFLL两种氚增殖包层系统目前的氚提取都是采用含有氢气的氦气作为载气利用同位素的置换效应将氚从锂陶瓷小球（HCSB概念）或锂铅合金（DFLL）带出，由于氚在锂陶瓷和锂铅合金都有一定的溶解度，因此这两种包层概念都会存在氚的滞留问题，因此需要高温的载气（600度以上）以增强氚的析出。而由载气带出的氚根据目前两个概念的提氚系统设计需要通过低温（达到液氮温度）选择性吸附实现氦与氢同位素，分离后的氦再重新加热到500度以上送回氚增殖区作为载气去提氚，从今后聚变示范堆的角度，这样的提氚路线是很不经济的。

针对现有的固态和液态两种聚变包层氚增殖解决方案存在的问题，我们提出了一种基于氘氧化锂重水溶液的新的聚变包层氚增殖解决方案。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种新的聚变堆包层本体，以解决国际热核聚变实验堆(ITER)后的氘氚聚变技术研究装置、聚变工程技术实验堆以及聚变示范堆的氚自持问题。

聚变堆氚增殖包层系统中的氚增殖包层本体，其特征是由第一壁、格板、中子倍增球床、后板组成，其中第一壁、格板、后板中都含有冷却管道作为冷却剂和氚增殖剂的氘氧化锂重水溶液在管道中有序流动。

中子倍增球床由直径为0.05－2mm的铍及铍合金小球填充。

其主要工作原理如下：

氘氚聚变反应产生的聚变中子与包层中的氘氧化锂所含锂核发生核反应而产氚，同时重水及氘氧化锂中的氘原子也可吸收部分聚变中子在一定程度上充当产氚材料。包层内产生的氚，将与氘氧元素结合形成DTO，与流动介质融为一体，形成含氚重水溶液（其中溶质为氘氧化锂，溶剂为含氚重水组成）。通过一回路的减压分离装置，含氚重水溶液的部分含氚重水转化为含氚的重水蒸汽（DTO＋D₂O），并导入氚富集系统。

而剩余的氘氧化锂重水溶液则导入换热装置，由于氘氧化锂和锂核反应会导致溶质的损失，而含氚重水经过减压分离又会导致溶剂的损失，因此经过换热装置的氘氧化锂重水溶液需要通过一个混合器，补充新的氘氧化锂重水溶液。这个过程也实现了在线流动换料。

这里提到的氘富集系统与目前已规模化应用的重水堆中的重水提氚装置一致（该发明中不做进一步描述），主要通过多级蒸汽催化交换和低温精馏技术，将氚浓度富集到氘氚物质量比接近1：1，以供聚变堆氘氚核聚变反应用，在氚富集过程中得到氚浓度极低的重水可作为补充用氘氧化锂重水溶液的溶剂使用。

本实用新型的有益效果为：（1）采用流动介质同时作为氚增殖剂和冷却剂，简化了包层结构，易于包层本体的加工；（2）相比传统的固态包层系统，氚增殖剂具有流动性，容易实现在线换料；（3）相比传统的液态包层系统，规避了液态金属流动带来的磁流学问题，液态金属对结构材料的腐蚀问题，提高了包层系统的安全性；（4）该发明涉及的一回路和重水提氚技术已在重水堆中规模化应用，技术成熟可靠。

附图说明

图1为基于氘氧化锂重水溶液的氚增殖包层本体结构示意图。

图2为基于氘氧化锂重水溶液的氚增殖包层本体在系统中运用示意图。

具体实施方式

基于氘氧化锂重水溶液的用于聚变堆工程技术实验平台的氚增殖包层系统如图2所示，该系统由氚增殖包层本体、一回路系统、氚富集系统三部分组成，氚增殖包层本体与一回路系统通过流体进口、流体出口两个管口连接，一回路系统通过其减压汽液分离装置的蒸汽出口与氚富集系统连接。

该系统采用氘氧化锂的重水饱和溶液作为氚增殖剂和冷却剂，其中氘氧化锂的摩尔浓度在5mol/l之间，氚增殖包层本体进口温度120℃，出口温度150℃工作压力在1MPa。该参数是考虑到聚变堆工程技术实验平台主要用于聚变堆相关工程技术研究，无聚变能转换、提取的迫切要求，但必须满足氚自持。采用较低的工作温度，可以使包层本体管道承压显著降低，在设计上可以减少结构材料用量，提高包层的中子经济性，从而获得较高的氚增殖率，在满足氚自持的前提下，为进一步的聚变示范堆提供启动氚源。

一回路系统包括稳压器、热交换器、泵、减压汽液分离装置、混合器组成。其中减压汽液分离装置通过蒸汽出口与氚富集系统连接。含氚的氘氧化锂的重水溶液在减压分离装置中实现气液分离。混合器主要用于补充氘氧化锂重水溶液。

氚富集系统采用目前已成熟的重水堆提氚技术，通过一个多级蒸汽催化交换和低温精馏相结合的低温塔装置，将氚浓度富集到氘氚物质量比在0.95。

如图1所示，氚增殖包层本体由第一壁1、格板2、中子倍增球床3、后板4组成。其中第一壁、格板、后板中都含有冷却管道，作为冷却剂和氚增殖剂的氘氧化锂重水溶液将在管道中有序流动。氚增殖包层本体采用CLF-1作为低活化铁素体/马氏体钢为基本结构材料；中子倍增球床由直径为1.0mm的Be小球填充。图2中5为聚变等离子体。

Claims

1.聚变堆氚增殖包层系统中的氚增殖包层本体，其特征是由第一壁(1)、格板(2)、中子倍增球床(3)、后板(4)组成，其中第一壁(1)、格板(2)、后板(4)中都含有冷却管道作为冷却剂和氚增殖剂的氘氧化锂重水溶液在管道中有序流动。

2.如权利要求1所述的氚增殖包层本体，其特征是中子倍增球床由直径为0.05－2mm的铍及铍合金小球填充。