[实用新型]模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，属于聚变裂变混合堆技术领域。

背景技术

聚变-裂变混合堆利用氘氚聚变反应堆产生的高能中子驱动次临界包层，在包层中聚变中子用于引起裂变、生产易裂变燃料或者嬗变放射性核废料，同时增殖氚来为聚变堆提供足够的氚。以商业发电为主要目的混合能源堆，包层中燃料采用裂变堆乏燃料或天然铀，实现较高的能量放大从而改善聚变系统的能量平衡。

聚变裂变混合堆是根据聚变反应是富中子（指聚变中子可通过Be、Pb、及U等核素的（n,2n）等反应增殖可利用的中子）、贫能量（14 MeV/次），而裂变反应是贫中子、富能量（200 MeV/次）的特点，利用聚变源中子驱动次临界包层，实现生产能量、生产核燃料、处理核废料等功能。

聚变裂变混合堆包层的特点有：1）由于次临界包层中的裂变反应将大幅放大聚变堆的能量输出，所以聚变裂变混合堆对聚变堆芯参数的要求远比纯聚变电站低；2）较低的聚变堆芯参数使得结构材料所受到的高能中子辐照强度相对较低，可适当降低对结构材料耐辐照性能的要求；3）包层使用轻水堆乏燃料或者天然铀做裂变燃料，快中子增殖或直接裂变可裂变核素，可大大提高铀资源的利用率；4）裂变将增加系统内的中子数量，多余的中子可以和锂发生反应来产氚，从而为聚变堆芯提供燃料。因此，在目前聚变可行性已达到或者即将达到的基础上，采用大部分成熟技术，研究在经济上有竞争力的聚变裂变混合堆装置，能尽早地实现初级阶段聚变应用，极大地推动我国核能的发展。

聚变裂变混合堆研究始于上世纪五十年代，七十年代达到研究高峰，到八十年代后期由于能源需求减少和防止核扩散使得其研究进入低潮，到了本世纪初则重新受到重视。几个代表研究为：1）日本基于托卡马克的动力生产聚变裂变混合堆（1984年），包层为包含平衡钚的快裂变包层，燃料区采用氦气冷却压力管形式； 2）美国圣地亚国家实验室（SNL）基于Z-箍缩聚变驱动器的In-Zinerator次临界嬗变堆概念。该嬗变堆采用(LiF)2-AnF3混合熔盐燃料形式，以液态铅作冷却剂，每年能够焚烧1240 kg锕系核素，同时产生3000 MWth热量。3）美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）提出的激光惯性聚变能源（LIFE）概念。该概念采用TRISO燃料，以Flibe（2LiF+BeF2）氟化物熔盐为冷却剂，设计裂变能量放大因子为4～10。这些概念主要的目的为嬗变核废料，通常需要初装大量的钚或次级锕系核素，熔盐面临的材料问题突出。

国内在863计划内主要研究了基于托卡马克磁约束聚变的增殖钚及嬗变高放核废料的聚变裂变混合堆概念设计。2000年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混合堆研究计划，研究目标主要是嬗变长寿命高放废物或裂变产物。近年来，国内多家单位提出了基于托卡马克的聚变裂变混合堆包层设计。比如：1）中科院合肥物质研究院提出的快-热耦合混合能谱实现长期能量方法的混合堆包层，采用了快裂变区、非裂变区中子倍增区、热裂变区的复杂燃料区设计；2）中国核电工程公司提出的基于托卡马克的小模块燃料区设计；3）西交大提出的基于压力管式燃料区设计。这些设计都基于托卡马克磁约束聚变，由于托卡马克的复杂结构，导致了这些设计主要采用小模块式，具备模块数量多，冷却剂流道复杂，工程实现性较差的不足。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供一种聚变裂变混合堆包层燃料区，基于Z箍缩惯性约束聚变驱动，克服托卡马克磁约束装置带来的结构复杂、可用空间有限等缺点；同时，本包层燃料区采用铀锆合金燃料加压水堆成熟的冷却技术，利用简单几何和流道设计，解决原有包层工程实现性差的缺点，实现长期稳定的能量输出，同时采用工程通道提高包层的安全性；从而能有效的解决上述现有技术中存在的问题。

本实用新型目的通过下述技术方案来实现：一种模块式基于Z箍缩驱动的聚变裂变混合堆包层燃料区，其包层沿环向均分成N个模块，36≥N≥15，燃料区分成与包层对应的N块；每块燃料区的上端为聚变靶驱动机构、下端为靶回收区域，在燃料区的上端和下端之间设三个独立的模块，分别为位于上部的梯形台上端模块、位于中部的长方体中间模块和位于下部的梯形台下端模块；所述上端模块的冷却水管采用横向S形排列；所述下端模块的冷却水管采用横向S形排列；所述中间模块的冷却水管采用轴向排列；工程通道设于燃料区的外端，且工程通道为上下贯穿型，工程通道的上、下端均与双层安全壳的中间区域连通。