聚變-裂變混合堆調研報告

1、2014年年10月月17日日聚變聚變-裂變混合堆調研裂變混合堆調研u嚴仕先2混合混合堆簡介堆簡介v 利用聚變反應堆芯部產生的大量中子在含有可裂變物質的聚變堆外側裂變包裹層中引起裂變、生產易裂變燃料或嬗變長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，反應堆不需要達到鏈式反應也能夠持續(xù)運行，也就是裂變部分不臨界v 聚變堆芯產生的超快中子(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, 產生能量發(fā)電與供熱以及中子倍增。 2)生產裂變核燃料233 U 或239Pu 3)作為倍增的中子源可以生產氚以及嬗變“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燃料為主, 還是以發(fā)電為主(這可以通過不同的包層配方來實現), 總可以使聚變功率放大20 倍以上。v 混合堆包層產生裂變能越多,包層能量倍增因子越大,對聚變驅動器的要求可以降低得越多,有利于提前實現

3、聚變能利用. 據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)現純聚變堆難度較大,建成時間可能比預想的要推遲.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，一旦技術成熟,經濟力量許可，就可加速發(fā)展。3. 混合堆-壓水堆共生系統的電能價格比快堆-壓水堆共生系統便宜4. 混合堆-壓水堆共生系統對鈾資源消耗比快堆-壓水堆

4、共生系統低5. 混合堆-壓水堆共生系統,對于釷資源利用比較經濟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。如混合堆可生產同位素純度達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以上高溫熱源，代替高溫氣冷堆。用于煤的氣化，氫的生產，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，考驗材料與設備，積累設計、建造和運行的經驗。而快堆作為一種過渡堆是完全孤立

5、的，對聚變發(fā)展沒有直接關系。7國內外混合堆型國內外混合堆型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激光驅動慣性約束聚變混合堆激光驅動慣性約束聚變混合堆國內國際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裂變燃料組成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裂變燃料棒軸向穩(wěn)態(tài)溫度

6、分布12SABRSABR裂變燃料棒軸向穩(wěn)態(tài)功率分布裂變燃料棒軸向穩(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燃料棒鋯合金包裹的錒系元素棒(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計階段, 因而對其安全性, 人們最關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,經過優(yōu)化設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 產量下, 混合堆所產生的237N p 為快堆的4 倍左右, 但所產生的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、后果嚴重的事件, 是混堆的主要風險。在設計中, 應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)泵系統的可靠性, 保證各應急安全系統在事故時有足夠高的可用度。2. 等離子體解體導致第一壁失效的頻率是初因事件中最高的, 盡管其后果并不嚴重,但影響混合堆的正常運行。在設計中應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. 從各安全系統的重要度考慮, 最重要的是緊急電源系統, 它影響著其余一系列系統的功能。因此, 在設計中應保證該系統具有高度的可靠性。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組合系統v 混合堆與輕水堆組合系統是用混合堆生產核燃料和能量，混合堆生產核燃料支持衛(wèi)星堆(如壓水堆)消耗核燃料，生產能量M 混合堆可設計為以生產能量為主，也可設計為以生產核燃料為主，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，增大了提前應用聚變能的可能性；l 能有有效的進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，但是現有材料依然無法滿足需求；l 與裂變反應堆相比，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