【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及可控核聚变，具体涉及鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置及发电方法。
技术介绍
1、在全球能源结构加速转型的背景下，传统化石能源储量有限且危害环境，难以满足可持续发展需求。因此，开发清洁高效、可持续的新能源成为全球能源领域的当务之急。核能因能量密度高、碳排放低而备受关注。核聚变能源在核能中极具潜力，其燃料氘在海水中储量近乎无限，能够为全球能源供应提供保障。而且核聚变能源放射性废弃物比核裂变少，环境友好性与安全性更优，所以深受全球科学界与工业界的瞩目并被深入研究。
2、然而，实现可控核聚变并将其转化为可大规模商业化应用的能源技术，至今仍然面临着诸多复杂且艰巨的技术挑战：1.反应条件极端，需极高温度与高压，现有材料技术难以维持，常规材料易失效；2.能量输入与耦合不佳，启动能耗大且效率低，技术复杂成本高；3.等离子体稳定性难控，易出现不稳定现象致反应中断，控制技术待突破；4.材料耐久性受到极大考验，强辐射会导致材料出现内部结构损伤、性能衰退等问题，热应力则会引发材料的表面裂纹、变形等破坏，对材料性能与结构设计挑战大；5.能量转换效率低，存在多种能量损失，远不及经济可行性要求，需优化技术与系统。
3、高温气冷堆作为一种先进核反应堆技术，以氦气为冷却剂，氦气具有化学惰性、高温稳定性好、传热性能优良等特性，其燃料采用全陶瓷包覆颗粒燃料，能有效包容放射性裂变产物，堆芯出口温度可达800℃，可实现高热电转换效率，在核能综合利用方面潜力巨大，如用于高温工艺热供应、制氢等领域。核裂变易启动、能快速产生高温高压环
4、鞭炮式可控核聚变原理通过创新的系统架构设计，例如采用多堆接力运行机制以及飞轮蓄能调控技术等，希望解决传统可控核聚变技术在能量输出连续性、稳定性以及装置运行耐久性等方面存在的部分问题。具体而言，其多堆按预定序列依次触发聚变反应的接力运行模式，能够在一定程度上缓解因单堆反应持续时间有限而导致的能量输出间歇与波动，实现相对更为连续稳定的能量产出。同时，借助飞轮蓄能装置对核聚变反应过程中的脉冲式能量输出进行实时调控与存储，有效实现能量的削峰填谷，提高了整个系统对能量的管理与利用效率，为可控核聚变技术在实际应用场景中的可行性探索提供了全新的思路与方向。
技术实现思路
1、本专利技术针对可控核聚变技术难以实现连续供电且难以实现能量输出净增益等难题，提出鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置及发电方法。
2、本专利技术的技术方案为：鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，包括裂变-聚变反应系统、循环冷却系统和其他附件。所述的裂变-聚变反应系统包括中子枪、燃料球、燃料球储存及投放装置和真空反应器。所述的循环冷却系统包括循环风机、稳压器、蒸汽轮机、蒸汽发生器、输送管道和水泵。所述的其他附件包括储能调控系统和真空泵。
3、本专利技术鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置的燃料球，最外层为中子透射壳层，中心为固态的核裂变燃料，核裂变燃料与中子透射壳层间均匀分布柱状支撑材料，使中子透射壳层与核裂变燃料间形成薄层。燃料球的中子透射壳层上有核聚变燃料注入口，通过核聚变燃料注入口向所形成的薄层内注入核聚变燃料，核聚变燃料为高浓度的氘氚混合气体。核聚变燃料在核裂变燃料与中子透射层间为超高压状态。核裂变燃料的材料包括但不限于铀-233、铀-235、二氧化铀和钚-239等。中子透射壳层可使高能中子透过并激发核裂变反应，中子透射壳层需要承受高温、高压环境，所述中子透射壳层的材料包括但不限于锆合金、镍基合金和钨基合金等。
4、所述的核裂变燃料经粉末冶金等工艺加工形成，将柱状支撑材料通过焊接等方式均匀分布在核裂变燃料周围并紧密结合，采用铸造等工艺制作带有核聚变燃料注入口的中子透射壳层，先将中子透射壳层分两个半球进行铸造，再将两个中子透射壳层半球与柱状支撑材料焊接。可选的，两个半球间采用全焊透方式焊接；可选的，中子透射壳层的两半球间焊缝出可设置锁紧结构，两个半球通过机械力组合锁紧，然后于坡口处进行焊接，所述的锁紧结构包括但不限于半球形锁紧结构或锥形锁紧结构，该锁紧结构便于半球焊接定位，并且能够使球形中子透射层在承受内压时，力的分布更加均匀，增强容器的结构稳定性。高浓度氘氚混合气体通过核聚变燃料注入口注入，注入高浓度氘氚混合气体至超高压后进行密封，密封方式包括但不限于高温焊接和密封胶密封等，密封后应对燃料球气密性进行检查。
5、本专利技术鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置的燃料球储存及投放装置，用于储备燃料球，待一个燃料球反应完成后，定时向真空反应器内投入新的燃料球，燃料球释放频率根据反应频率设定，可通过重力作用释放燃料球，也可通过机械作用自上向下投入燃料球。燃料球运动至真空反应器球心时，中子枪发射的中子轰击燃料球，燃料球内部的核裂变燃料吸收中子发生核裂变反应，且反应为链式反应，能够自发持续进行，核裂变反应产生的高温迅速加热核聚变燃料，同时，裂变反应产生的高能中子和高能射线辅助压缩和加热核聚变燃料，在高温高压条件下，核聚变燃料发生聚变反应并释放大量能量，高温使燃料球迅速变成等离子体，等离子体受磁场约束在磁场区域内运动，并向外通过辐射释放热量。随后向真空反应器中投入下一个燃料球，已反应完成的燃料球产生的高温环境可辅助下一个燃料球的预热。
6、本专利技术鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置的真空反应器呈球形，真空反应器的第一壁为耐高温材料，包括但不限于钨和钨铼合金等。真空反应器内壁衬有氚增殖包层，氚增殖包层材料包括但不限于硫酸锂、硅酸锂、钛酸锂、碳酸锂和锂铅合金等，氚增殖包层通过吸收高能中子，可产生氚用于维持核聚变反应，反应过程中产生的高能中子部分被氚增殖包层吸收，部分反射用于激发核裂变反应。
7、所述的真空反应器的外部上下端分别紧密布置上超导线圈与下超导线圈。上超导线圈和下超导线圈采用液氢与液氮混合冷却系统维持超导态。借助磁约束作用，减少高温等离子体与真空反应器壁的直接接触频率与接触面积，从而降低对真空反应器材料耐高温性能的严苛要求，延长球腔的使用寿命。核聚变领域的磁约束方法致力于借助磁场束缚高温等离子体，从而达成持续稳定的核聚变反应。托卡马克运用环形磁场与极向磁场相互配合，于环形真空室里约束等离子体，能较好地减少粒子泄漏并维持等离子体的高温高密状态；仿星器依靠外部线圈生成的三维扭曲磁场形状来限制等离子体。而磁镜作为磁约束方法之一，其磁场沿轴向呈不均匀分布，两端磁场强度高，中间较弱，带电粒子沿轴向运动到强磁场区域时，轴向速度会发生变化，进而实现约束。与托卡马克和仿星器相比，磁镜的突出优势在于结构相对简易，针对垂直于磁场方向速度较大的粒子，约束效能更高。
8、所述的真空反应器正上方燃料球投放口通过磁流体密封实现真空密封。真空反应器正下方有反应废料收集区，反应完成后，通过反应废料收集区的废气排出口借助真空泵及时排出冷却后的反应废料。真空反应器第一壁外为相变材料层，相变材料层中为相本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：包括裂变-聚变反应系统、循环冷却系统和其他附件；所述的裂变-聚变反应系统包括中子枪、燃料球、燃料球储存及投放装置和真空反应器；所述的循环冷却系统包括循环风机、稳压器、蒸汽轮机、蒸汽发生器、输送管道和水泵；所述的其他附件包括储能调控系统和真空泵；所述的真空反应器呈球形，真空反应器的第一壁为耐高温材料，内壁衬有氚增殖包层；真空反应器的外部上下端分别紧密布置上超导线圈与下超导线圈；真空反应器正上方燃料球投放口通过磁流体密封实现真空密封；真空反应器正下方有反应废料收集区；反应废料收集区有废气排出口；废气排出口连接真空泵；真空反应器第一壁外为相变材料层，相变材料层中为相变微球，并通氦气；真空反应器外等距安置至少两把中子枪，中子枪对准真空反应器球心，真空反应器的壁面均匀布置中子入射口。
2.根据权利要求1所述的鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：所述的相变微球由相变芯材和壁材组成，壁材包裹相变芯材，可选的相变芯材包括但不限于碳酸锂、碳化硅和氟化锂等，可选的壁材的材料包括但不限于二氧化硅和氧化铝等。
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4.根据权利要求3所述的鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：所述的核裂变燃料经粉末冶金等工艺加工形成，将柱状支撑材料通过焊接等方式均匀分布在核裂变燃料周围并紧密结合，采用铸造等工艺制作带有核聚变燃料注入口的中子透射壳层，先将中子透射壳层分两个半球进行铸造，再将两中子透射壳层半球与柱状支撑材料以及两个半球间进行焊接；高浓度氘氚混合气体通过核聚变燃料注入口注入，注入高浓度氘氚混合气体至超高压后进行密封，密封方式包括但不限于高温焊接和密封胶密封等，密封后应对燃料球气密性进行检查。
5.根据权利要求4所述的鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：所述中子透射壳层的两个半球焊接过程中可采用全焊透方式焊接；也可在焊缝处设置锁紧结构，两个半球通过机械力组合锁紧，然后于坡口处进行焊接，所述的锁紧结构包括但不限于半球形锁紧结构或锥形锁紧结构。
6.根据权利要求1所述的鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：所述真空反应器的外部上下端分别紧密布置上超导线圈与下超导线圈，上超导线圈和下超导线圈采用液氢与液氮混合冷却系统维持超导态，借助磁约束作用，减少高温等离子体与真空反应器壁的直接接触频率与接触面积，从而降低对真空反应器材料耐高温性能的严苛要求，延长球腔的使用寿命。
7.根据权利要求1所述的鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：至少包括两套裂变-聚变反应系统，每套裂变-聚变反应系统均配备循环冷却系统和真空泵，当第一裂变-聚变反应系统产生较多反应废料或真空反应器内壁温度接近材料可承受上限温度时，第二裂变-聚变反应系统利用存储的电能进行反应，同时第一裂变-聚变反应系统停止反应并通过真空泵清除反应废料和冷却，待第一裂变-聚变反应系统满足再次反应条件时，第二裂变-聚变反应系统停止反应并清除废料和冷却，第一裂变-聚变反应系统再次反应，以此实现持续供电且不对装置产生较大损害并高效利用能量。
8.鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电方法，采用权利要求1所述的鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：其主要技术原理及过程包括：
...【技术特征摘要】
1.鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：包括裂变-聚变反应系统、循环冷却系统和其他附件；所述的裂变-聚变反应系统包括中子枪、燃料球、燃料球储存及投放装置和真空反应器；所述的循环冷却系统包括循环风机、稳压器、蒸汽轮机、蒸汽发生器、输送管道和水泵；所述的其他附件包括储能调控系统和真空泵；所述的真空反应器呈球形，真空反应器的第一壁为耐高温材料，内壁衬有氚增殖包层；真空反应器的外部上下端分别紧密布置上超导线圈与下超导线圈；真空反应器正上方燃料球投放口通过磁流体密封实现真空密封；真空反应器正下方有反应废料收集区；反应废料收集区有废气排出口；废气排出口连接真空泵；真空反应器第一壁外为相变材料层，相变材料层中为相变微球，并通氦气；真空反应器外等距安置至少两把中子枪，中子枪对准真空反应器球心，真空反应器的壁面均匀布置中子入射口。
2.根据权利要求1所述的鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：所述的相变微球由相变芯材和壁材组成，壁材包裹相变芯材，可选的相变芯材包括但不限于碳酸锂、碳化硅和氟化锂等，可选的壁材的材料包括但不限于二氧化硅和氧化铝等。
3.根据权利要求1所述的鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：所述的燃料球最外层为中子透射壳层，中心为固态的核裂变燃料，核裂变燃料与中子透射壳层间均匀分布柱状支撑材料，使中子透射壳层与核裂变燃料间形成薄层；燃料球的中子透射壳层上有核聚变燃料注入口，通过核聚变燃料注入口向所形成的薄层内注入核聚变燃料，核聚变燃料为高浓度的氘氚混合气体，且在核裂变燃料与中子透射层间为超高压状态；核裂变燃料的材料包括铀-233、铀-235、二氧化铀或钚-239等；中子透射壳层可使高能中子透过并激发核裂变反应，所述中子透射壳层的材料包括锆合金、镍基合金或钨基合金等。
4.根据权利要求3所述的鞭炮式可控核聚变与核裂变协同发电装置，其特征在于：所述的核裂变燃料经粉末冶金等工艺加工形成，将柱状支撑...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫民，胡妍如，王旭升，丁玉梅，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：
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