聚變-裂變混合堆調(diào)研報告

1、2014年年10月月17日日聚變聚變-裂變混合堆調(diào)研裂變混合堆調(diào)研u嚴(yán)仕先2混合混合堆簡介堆簡介v 利用聚變反應(yīng)堆芯部產(chǎn)生的大量中子在含有可裂變物質(zhì)的聚變堆外側(cè)裂變包裹層中引起裂變、生產(chǎn)易裂變?nèi)剂匣蜴幼冮L壽命放射性核廢物并獲得能量的裝置。v 由于中子由聚變核心提供，反應(yīng)堆不需要達(dá)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)也能夠持續(xù)運行，也就是裂變部分不臨界v 聚變堆芯產(chǎn)生的超快中子(14 .05 MeV)如果在核包層僅用于回收氚之外, 中子便被減速而回收熱能, 這便是純聚變堆。但對于核能的利用來說, 存在著巨大的浪費。3混合混合堆堆簡介簡介v 人們考慮在聚變堆芯之外的核包層中加以天然的釷(232 Th)或天然鈾的主體238

2、U , 則為混合堆, 使快中子得到充分的利用: 1)聚變快中子直接使238 U 裂變, 產(chǎn)生能量發(fā)電與供熱以及中子倍增。 2)生產(chǎn)裂變核燃料233 U 或239Pu 3)作為倍增的中子源可以生產(chǎn)氚以及嬗變“燒盡” 裂變核電站的高放射性核廢料。氚的半衰期為12 .3年，是必需不斷補充的核武庫中氫彈的原料。此前的高放射性核廢料均置于深埋或封存留待處理狀態(tài)。4混合混合堆堆簡介簡介v 混合堆不論是以增殖裂變?nèi)剂蠟橹? 還是以發(fā)電為主(這可以通過不同的包層配方來實現(xiàn)), 總可以使聚變功率放大20 倍以上。v 混合堆包層產(chǎn)生裂變能越多,包層能量倍增因子越大,對聚變驅(qū)動器的要求可以降低得越多,有利于提前實現(xiàn)

3、聚變能利用. 據(jù)估計混合堆可以比純聚變堆提前20年左右。v 國際上由于發(fā)現(xiàn)純聚變堆難度較大,建成時間可能比預(yù)想的要推遲.因此,以混合堆作為中間階段的呼聲越來越高.前蘇聯(lián)把混合堆作為聚變能利用的第一階段已是既定方針。5混合堆相比快堆的優(yōu)勢混合堆相比快堆的優(yōu)勢v 二者都是增殖堆1. 混合堆增殖能力比快堆大得多快堆凈增殖比較小,倍增時間長，核燃料增殖能力差。2. 混合堆不受工業(yè)钚積累限制快堆電站建設(shè)受初始裝料工業(yè)懷限制，而混合堆沒有這個問題，一旦技術(shù)成熟,經(jīng)濟力量許可，就可加速發(fā)展。3. 混合堆-壓水堆共生系統(tǒng)的電能價格比快堆-壓水堆共生系統(tǒng)便宜4. 混合堆-壓水堆共生系統(tǒng)對鈾資源消耗比快堆-壓水堆

4、共生系統(tǒng)低5. 混合堆-壓水堆共生系統(tǒng),對于釷資源利用比較經(jīng)濟6混合堆相比快堆的優(yōu)勢混合堆相比快堆的優(yōu)勢6. 混合堆比快堆安全第一，混合堆是一個次臨界裝置；第二，堆后熱問題比快堆少7. 其他優(yōu)點混合堆還有一系列優(yōu)點是快堆所不具備的。如混合堆可生產(chǎn)同位素純度達(dá)95.5%以上的P-239；可以建成造氚堆；有可能成為最終處置長壽命放射性廢物的途徑；可以建成1000以上高溫?zé)嵩?，代替高溫氣冷堆。用于煤的氣化，氫的生產(chǎn)，甲烷、甲醇、汽油的有機合成?；旌隙堰€有另一個重要作用，它作為過渡到純聚變堆的中間階段,可作為純聚變開發(fā)的試驗堆，考驗材料與設(shè)備，積累設(shè)計、建造和運行的經(jīng)驗。而快堆作為一種過渡堆是完全孤立

5、的，對聚變發(fā)展沒有直接關(guān)系。7國內(nèi)外混合堆型國內(nèi)外混合堆型FDS-FBFDS-IFDS-IIFDS-EMSABR（MIT）University of texas可分離式聚變裂變混合堆可分離式聚變裂變混合堆LIFE激光驅(qū)動慣性約束聚變混合堆激光驅(qū)動慣性約束聚變混合堆國內(nèi)國際8SABRSABR堆堆v SUBCRITICAL ADVANCED BURNER REACTOR9SABRSABR裂變包層裂變包層裂變核裂變功率3,000 MWth裂變?nèi)剂辖M成Pu-40, Am-10, Np-10, Zr-400.9510SABRSABR裂變包層裂變包層燃料橫截面圖燃料布置圖11SABR裂變?nèi)剂习糨S向穩(wěn)態(tài)溫度

6、分布12SABRSABR裂變?nèi)剂习糨S向穩(wěn)態(tài)功率分布裂變?nèi)剂习糨S向穩(wěn)態(tài)功率分布13慣性約束核聚變慣性約束核聚變- -裂變混合堆裂變混合堆裂變?nèi)剂习翡喓辖鸢腻H系元素棒(Np, Am, Cm )鈹包裹的Li6棒激光靶核冷卻劑 (液態(tài)Na)中子反射層(Ni)14混合堆的安全性v 由于混合堆還處于概念設(shè)計階段, 因而對其安全性, 人們最關(guān)心的是它對公眾的潛在危險性。而其最主要潛在危害之一就是它所產(chǎn)生的核廢物及其放射性的危害 混合堆為次臨界堆，具有較好的固有安全性； 從產(chǎn)生的核廢物及放射性看, 混合堆與裂變堆相比, 并不存在特殊安全問題, 相反,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的抑制裂變混合堆更安全； 正常運行時, 混合

7、堆包層放射性與同等熱功率裂變動力堆相近； 同等P u 產(chǎn)量下, 混合堆所產(chǎn)生的237N p 為快堆的4 倍左右, 但所產(chǎn)生的241A m 及244C m則比快堆少得多。15混合堆事故分析混合堆事故分析1. 包層失去流量屬于高頻率、后果嚴(yán)重的事件, 是混堆的主要風(fēng)險。在設(shè)計中, 應(yīng)該努力降低該事件發(fā)生的頻率和減輕事件的后果, 盡量提高主循環(huán)泵系統(tǒng)的可靠性, 保證各應(yīng)急安全系統(tǒng)在事故時有足夠高的可用度。2. 等離子體解體導(dǎo)致第一壁失效的頻率是初因事件中最高的, 盡管其后果并不嚴(yán)重,但影響混合堆的正常運行。在設(shè)計中應(yīng)盡量控制等離子體運行狀態(tài), 降低其解體的可能性;選取性能良好的材料做第一壁, 降低其

8、失效率。3. 從各安全系統(tǒng)的重要度考慮, 最重要的是緊急電源系統(tǒng), 它影響著其余一系列系統(tǒng)的功能。因此, 在設(shè)計中應(yīng)保證該系統(tǒng)具有高度的可靠性。16停堆后放射性活度及余熱停堆后放射性活度及余熱17混合堆與輕水堆混合堆與輕水堆組合系統(tǒng)組合系統(tǒng)v 混合堆與輕水堆組合系統(tǒng)是用混合堆生產(chǎn)核燃料和能量，混合堆生產(chǎn)核燃料支持衛(wèi)星堆(如壓水堆)消耗核燃料，生產(chǎn)能量M 混合堆可設(shè)計為以生產(chǎn)能量為主，也可設(shè)計為以生產(chǎn)核燃料為主，或者二者兼具。不同類型的混合堆、衛(wèi)星堆組合系統(tǒng)的總功率18混合堆優(yōu)勢混合堆優(yōu)勢l 降低了對聚變堆芯的要求，緩解目前面臨的材料壓力；l 結(jié)合了聚變堆中子多和裂變堆能量富集的優(yōu)點；l 作為次

9、臨界堆，有可能更加安全；l 裂變堆有著成熟的技術(shù)，增大了提前應(yīng)用聚變能的可能性；l 能有有效的進(jìn)行燃料的增殖和長壽期放射性核素處理。相比快堆的增殖來說:l 快堆需要更大的初裝料，混合堆可以使用天然鈾或者乏燃料；l 快堆倍增時間較長，而一座混合堆可以支持幾倍于其功率的壓水堆或者快堆。19混合混合堆研究遇到的堆研究遇到的問題問題l 先進(jìn)核能開發(fā)面臨的共性問題新材料開發(fā)、驗證平臺建立、和工程問題:l 雖然降低了材料需求，但是現(xiàn)有材料依然無法滿足需求；l 與裂變反應(yīng)堆相比，混合堆裂變包層的功率分布的梯度大得多，功率分布的不均勻，給混合堆的運行造成了困難；l 現(xiàn)階段還沒有廉價且運行穩(wěn)定的聚變中子源；l 強磁場環(huán)境中對冷卻劑的選擇有著不小的限制。Energy may well be the problem of the age. And what