Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆制造技术

本发明专利技术公开了一种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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆
本专利技术涉及一种Z箍缩驱动聚变裂变混合能源堆，属于混合能源堆

技术介绍
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-PinchDrivenFusion-FissionHybridEnergyReactor，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-PinchDrivenFusion-FissionHybridReactor，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keff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）该专利技术仅为概念研究，缺乏具体的反应堆工程设计，可实现性较差。
技术实现思路
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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：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，曾和荣，周林，梁川，王少华，熊亮萍，龚宇，师学明，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院核物理与化学研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51