聚變-裂變混合堆的經(jīng)濟分析

聚變-裂變混合堆的經(jīng)濟分析

0混合堆在能源戰(zhàn)略中的作用2006年，中國人均產(chǎn)油量僅為1.9噸，低于世界平均2噸，僅為發(fā)達國家的1.4.1.7。隨著中國經(jīng)濟的可持續(xù)和快速發(fā)展，我們必須建設一個可持續(xù)、可持續(xù)的能源生產(chǎn)。預計在20.50年后，中國的能源需求將達到4.109.55109g噸標準煤炭，人均消費約為3.3.3噸。現(xiàn)有的石油和天然氣只能在20.30年內(nèi)維持。煤炭儲量約為1.9.1011噸，可使用數(shù)百年，但其使用中存在著重大的破壞和風險。核能是相對干凈的能源,但現(xiàn)有的動力堆主要是以235U為燃料的輕水堆,以核電廠壽命為60年計,1GWe電功率的電廠,在運行壽期內(nèi)需消耗104t天然鈾.按目前壓水堆核電發(fā)展規(guī)劃,2050年核電應為240~250GW,顯然核電對鈾的需要將會有很大的缺口.對以235U為燃料的核電達到21世紀核電發(fā)展的目標是有困難的,盡快開發(fā)以238U或232Th為燃料堆型的核電是當務之急.238U或232Th作為核燃料可滿足數(shù)百年核能源的需要.快增殖堆(FBR)和聚變-裂變混合堆(Hybrid)都可實現(xiàn)238U,232Th作為核燃料有效利用,而混合堆在能源戰(zhàn)略中有其獨特的作用.它是次臨界安全的,產(chǎn)生可裂變?nèi)剂系男矢?有利于核能源以更快的速度發(fā)展,特別是它可作為由裂變能源向聚變能源過渡的橋梁,促進聚變技術的發(fā)展.如果把化石燃料能源看作近期能源,238U,232Th裂變能源為長期能源,那么聚變能源,特別是氘氘聚變能源就應是永久性能源了.海水中的氘是取之不盡用之不竭的,而氘氘聚變放能已在核爆炸中實現(xiàn)了.在研究發(fā)展長期能源時,很自然會考慮向永久性能源過渡.混合堆在聚變能源向裂變能源過渡中起著承上啟下的作用,國內(nèi)外的科學工作者二三十年來在混合堆的發(fā)展研究中作了大量的工作.本文擬就钚-鈾循環(huán)聚變-裂變混合堆燃料循環(huán)、特征參量及設計思想中的若干問題作一簡要的分析.1包層過程變能的工作特性混合堆的堆芯是核聚變反應的系統(tǒng),本文擬用Tokamak磁約束氘-氚聚變堆作堆芯,堆芯外的包層是裂變系統(tǒng),類似于快增殖堆.氘-氚聚變反應產(chǎn)生的14.1MeV的高能中子在包層中通過(n,2n),(n,3n)和裂變反應,使能量放大和中子增殖.富裕的中子在包層中與Li反應,產(chǎn)生聚變反應所需的氚,俘獲238U,把238U轉(zhuǎn)化為239Pu與238U,235U或239Pu裂變反應,放出遠大于聚變堆芯聚變放出的能量.其能量流程見圖1.圖中主要參數(shù)如下:1)堆芯參數(shù):Qn=En/Ei為聚變中子能量與加熱等離子體入射能量之比,En為聚變中子能量,Ei=Ecηd為加熱等離子體入射能量;Ec為用于加熱等離子體的電能;ηd為電能加熱等離子體的效率;Eα為聚變產(chǎn)物α-粒子攜帶的能量;2)包層的特征參數(shù):Mn=[14.1+Ef(C+S)]/14.1為包層中聚變中子能量放大倍數(shù),Ef為每次裂變放出的能量(200MeV),C為進入包層的1個中子引起可轉(zhuǎn)換核的裂變數(shù),S為進入包層的1個中子引起可裂變核的裂變數(shù);F為造钚率,即1個聚變中子在包層中通過可轉(zhuǎn)換材料的俘獲反應凈產(chǎn)生的可裂變核數(shù),F=(1-T)+(ε-p)+C(ν-1)+[νf-(2+α)],νf為裂變核每次裂變產(chǎn)生的次級中子數(shù),其中1個中子用于本身裂變,1個中子用于造1個可裂變核,對消本身的消耗,ν為可轉(zhuǎn)換核每次裂變產(chǎn)生的次級中子數(shù),T為造氚率,即每個聚變中子在包層中通過6Li的吸收反應或7Li的(n,n′)反應產(chǎn)生的氚核數(shù),ε為每個聚變中子在包層中通過(n,2n)(n,3n)反應的中子倍增數(shù),p為每個聚變中子在包層中通過結(jié)構(gòu)材料等的寄生吸收和泄漏的幾率,α為可裂變核的俘獲/裂變比;Ee=Et×ηte為系統(tǒng)產(chǎn)出的總電能,Et為系統(tǒng)產(chǎn)出的總熱能,ηte為系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率;Ee,net為系統(tǒng)凈輸出的總電能.因為包層不可能全覆蓋聚變堆芯系統(tǒng),因而聚變產(chǎn)生的中子不能完全進入包層.進入包層的份額以ΔΩ表示.為保證產(chǎn)氚量滿足堆芯聚變的需要,產(chǎn)钚量會相應的減少,于是有包層的中子學設計,一般是在一定堆芯參數(shù)條件下,根據(jù)生產(chǎn)可裂變材料和生產(chǎn)電力的需要、結(jié)構(gòu)力學和熱工約束條件等,設計出包層結(jié)構(gòu)和材料的最嘉配置.如,要設計以輸出電功率為主的混合堆就提高包層中可裂變材料的份額,使Mn,net=ΔΩMn值高,Fnet=ΔΩ(F+T)-T較低.要設計產(chǎn)生可裂變材料為主的堆就應提高包層中可轉(zhuǎn)換材料的份額,使Fnet=ΔΩ(F+T)-T值高,Mn,net=ΔΩMn值較低.根據(jù)混合堆系統(tǒng)能量流程,可以得出:(2)包層破壞能(3)加熱和耗能耗的能耗(4)凈輸出能耗(5)假設混合沉積時間負荷因子c.0.7，則1mwa聚態(tài)中的14.1mev中的字數(shù)為包層中每年凈產(chǎn)生的钚量為式中En以MW為單位;(6)取平均值1.753kghmmw-1聚變器產(chǎn)生的功率，包層hm總載量為式中En以MW為單位;(7)如果制造材料的可轉(zhuǎn)換材料占拆卸材料的1%，則年洗滌劑用量約為1%(8)堆芯包層設計結(jié)果Efb以MW為單位.設計混合堆系統(tǒng)總熱功率電功率1000MWe,保證氚自持(T=1.15)條件下,用不同的堆芯、包層類型,設計、計算的結(jié)果如圖2~4及表1所示.2qn對放電系統(tǒng)功率輸出的影響1)年產(chǎn)钚量(tHM·a-1)隨Mn,net變化敏感,隨堆芯參數(shù)(Qn)變化不敏感(見圖2,3).系統(tǒng)熱功率為3000MW時,Mn,net從10到30,年產(chǎn)鈈從1313kg到597kg;Qn從0.5到5.0,年產(chǎn)钚1313kg~1593kg(見圖2,3或表1).這是因為產(chǎn)钚的效率主要取決于包層的可轉(zhuǎn)換材料與可裂變材料相對量、布局和結(jié)構(gòu).可見在低Qn下,設計低Mn,net的包層對產(chǎn)環(huán)有利.2)系統(tǒng)電能輸出對堆芯參數(shù)(Qn)和Mn,net變化都敏感.Qn從0.5~5.0,凈電能輸出從268~911MW.這是因為Qn小,加熱堆芯等離子體自消耗電能大,對凈電能輸出量有較大影響.Mn,net起著能量放大的作用,對凈電能輸出量有直接影響.但當Qn大時,等離子體加熱耗能低,包層能量倍增,Mn,net的敏感程度相對小一些.總的說來,提高Mn,net對系統(tǒng)功率輸出是有利的.3混合堆與衛(wèi)星堆系統(tǒng)的驅(qū)動源分析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.混合堆可設計為以生產(chǎn)能量為主,也可設計為以生產(chǎn)核燃料為主,或者二者兼具.我們要研究的是,混合堆和其衛(wèi)星堆生產(chǎn)的能量各占多大的比例是有利的.對于壓水堆而言,鈾資源的利用率如表2所示,混合堆與衛(wèi)星堆組合系統(tǒng)的燃料循環(huán),考慮在衛(wèi)星堆中鈾和钚的復用,鈾資源的利用率可取0.98%,可算得熱功率為3GW(電功率1GWe),壓水堆一年約消耗600~700kg裂變核燃料.假如熱功率3GW的壓水堆時間負載因子取0.7,則年消耗裂變核燃料約0.7×670kg,由此可以算出不同類型的混合堆及其生產(chǎn)的核燃料所支持的衛(wèi)星堆組合系統(tǒng)可生產(chǎn)的總能量(表3,圖5,6).由計算結(jié)果可見,低能量放大、高產(chǎn)钚率的混合堆作為混合堆-輕水堆組合能源系統(tǒng)的驅(qū)動源是更為有效的.4低能量放大/mn小混合堆組合系統(tǒng)1)在聚變堆芯水平還比較低的情況下,設計低能量放大(Mn,net小)的混合堆包層對產(chǎn)钚比較有利.低能量放大的混合堆有利于產(chǎn)出更多的钚,支持技術成熟、經(jīng)濟性好的輕水堆,使混合堆+輕水堆組合系統(tǒng)可生產(chǎn)出更多的能量(見圖5,6).2)驅(qū)動系統(tǒng)的聚變堆芯品質(zhì)的提高,即Qn的增大,對混合堆+輕水堆組合系統(tǒng)產(chǎn)出能量的增加也是有利的,但對低Mn系統(tǒng)提高功率效果更顯著.如Mn=10時,Qn=5是Qn=0.5系統(tǒng)凈功率輸出1.4倍;Mn=30時,Qn=5是Qn=0.5的1.18倍.可見,對混合堆+輕水堆組合燃料循環(huán)系統(tǒng),采用低能量放大(Mn小),高產(chǎn)钚率的混合堆作驅(qū)動源,對提高系統(tǒng)總電功率輸出更有利.一個混合堆驅(qū)動較多的常規(guī)的輕水堆,在經(jīng)濟上、技術上都將是有利的.3)用天然鈾作燃料,水作冷卻劑的混合堆設計方案,是一種低能量放大、高產(chǎn)钚率混合堆.它所產(chǎn)的钚除維持本身的消耗外,還可生產(chǎn)多余的钚供衛(wèi)星堆用.這種設計方案對混合堆-衛(wèi)星堆