聚变-裂变混合堆调研报告

1、2014年年10月月17日日 聚变聚变-裂变混合堆调研裂变混合堆调研 u严仕先 2 混合混合堆简介堆简介 v 利用聚变反应堆芯部产生的大量中子在含有可裂变物质的聚变堆外侧 裂变包裹层中引起裂变、生产易裂变燃料或嬗变长寿命放射性核废物 并获得能量的装置。 v 由于中子由聚变核心提供，反应堆不需要达到链式反应也能够持续运 行，也就是裂变部分不临界 v 聚变堆芯产生的超快中子(14 .05 MeV)如果在核包层仅用于回收氚 之外, 中子便被减速而回收热能, 这便是纯聚变堆。但对于核能的利 用来说, 存在着巨大的浪费。 3 混合混合堆堆简介简介 v 人们考虑在聚变堆芯之外的核包层中加以天然的钍(232

2、 Th)或天然 铀的主体238 U , 则为混合堆, 使快中子得到充分的利用: 1)聚变快中子直接使238 U 裂变, 产生能量发电与供热以及中子 倍增。 2)生产裂变核燃料233 U 或239Pu 3)作为倍增的中子源可以生产氚以及嬗变“烧尽” 裂变核电站的高 放射性核废料。氚的半衰期为12 .3年，是必需不断补充的核武库 中氢弹的原料。此前的高放射性核废料均置于深埋或封存留待处 理状态。 4 混合混合堆堆简介简介 v 混合堆不论是以增殖裂变燃料为主, 还是以发电为主(这可以通过不同 的包层配方来实现), 总可以使聚变功率放大20 倍以上。 v 混合堆包层产生裂变能越多,包层能量倍增因子越大

3、,对聚变驱动器的 要求可以降低得越多,有利于提前实现聚变能利用. 据估计混合堆可以 比纯聚变堆提前20年左右。 v 国际上由于发现纯聚变堆难度较大,建成时间可能比预想的要推迟.因 此,以混合堆作为中间阶段的呼声越来越高.前苏联把混合堆作为聚变 能利用的第一阶段已是既定方针。 5 混合堆相比快堆的优势混合堆相比快堆的优势 v 二者都是增殖堆 1. 混合堆增殖能力比快堆大得多 快堆净增殖比较小,倍增时间长，核燃料增殖能力差。 2. 混合堆不受工业钚积累限制 快堆电站建设受初始装料工业怀限制，而混合堆没有这个问题，一旦技术成 熟,经济力量许可，就可加速发展。 3. 混合堆-压水堆共生系统的电能价格比

4、快堆-压水堆共生系统便宜 4. 混合堆-压水堆共生系统对铀资源消耗比快堆-压水堆共生系统低 5. 混合堆-压水堆共生系统,对于钍资源利用比较经济 6 混合堆相比快堆的优势混合堆相比快堆的优势 6. 混合堆比快堆安全 第一，混合堆是一个次临界装置；第二，堆后热问题比快堆少 7. 其他优点 混合堆还有一系列优点是快堆所不具备的。如混合堆可生产同位素纯度达 95.5%以上的P-239；可以建成造氚堆；有可能成为最终处置长寿命放射性 废物的途径；可以建成1000以上高温热源，代替高温气冷堆。用于煤的气 化，氢的生产，甲烷、甲醇、汽油的有机合成。 混合堆还有另一个重要作用，它作为过渡到纯聚变堆的中间阶段

5、,可作为纯聚 变开发的试验堆，考验材料与设备，积累设计、建造和运行的经验。而快堆 作为一种过渡堆是完全孤立的，对聚变发展没有直接关系。 7 国内外混合堆型国内外混合堆型 FDS-FBFDS-IFDS-IIFDS-EM SABR（MIT） University of texas 可分离式聚变裂变混合堆可分离式聚变裂变混合堆 LIFE 激光驱动惯性约束聚变混合堆激光驱动惯性约束聚变混合堆 国内国际 8 SABRSABR堆堆 v SUBCRITICAL ADVANCED BURNER REACTOR 9 SABRSABR裂变包层裂变包层 裂变核 裂变功率3,000 MWth 裂变燃料组成Pu-40,

6、 Am-10, Np-10, Zr-40 0.95 10 SABRSABR裂变包层裂变包层 燃料横截面图燃料布置图 11 SABR裂变燃料棒轴向稳态温度分布 12 SABRSABR裂变燃料棒轴向稳态功率分布裂变燃料棒轴向稳态功率分布 13 惯性约束核聚变惯性约束核聚变- -裂变混合堆裂变混合堆 裂变燃料棒 锆合金包裹的锕系元素棒 (Np, Am, Cm ) 铍包裹的Li6棒 激光 靶核 冷却剂 (液态Na) 中子反射层(Ni) 14 混合堆的安全性 v 由于混合堆还处于概念设计阶段, 因而对其安全性, 人们最关心的是 它对公众的潜在危险性。而其最主要潜在危害之一就是它所产生的核 废物及其放射性

7、的危害 混合堆为次临界堆，具有较好的固有安全性； 从产生的核废物及放射性看, 混合堆与裂变堆相比, 并不存在 特殊安全问题, 相反,经过优化设计的抑制裂变混合堆更安全； 正常运行时, 混合堆包层放射性与同等热功率裂变动力堆相近； 同等P u 产量下, 混合堆所产生的237N p 为快堆的4 倍左右, 但所产生的241A m 及244C m则比快堆少得多。 15 混合堆事故分析混合堆事故分析 1. 包层失去流量属于高频率、后果严重的事件, 是混堆的主要风险。在 设计中, 应该努力降低该事件发生的频率和减轻事件的后果, 尽量提 高主循环泵系统的可靠性, 保证各应急安全系统在事故时有足够高的 可用度

8、。 2. 等离子体解体导致第一壁失效的频率是初因事件中最高的, 尽管其后 果并不严重,但影响混合堆的正常运行。在设计中应尽量控制等离子 体运行状态, 降低其解体的可能性;选取性能良好的材料做第一壁, 降低其失效率。 3. 从各安全系统的重要度考虑, 最重要的是紧急电源系统, 它影响着其 余一系列系统的功能。因此, 在设计中应保证该系统具有高度的可靠 性。 16 停堆后放射性活度及余热停堆后放射性活度及余热 17 混合堆与轻水堆混合堆与轻水堆组合系统组合系统 v 混合堆与轻水堆组合系统是用混合堆生产核燃料和能量，混合堆生产 核燃料支持卫星堆(如压水堆)消耗核燃料，生产能量M 混合堆可设计 为以生

9、产能量为主，也可设计为以生产核燃料为主，或者二者兼具。 不同类型的混合堆、卫星堆组合系统的总功率 18 混合堆优势混合堆优势 l 降低了对聚变堆芯的要求，缓解目前面临的材料压力； l 结合了聚变堆中子多和裂变堆能量富集的优点； l 作为次临界堆，有可能更加安全； l 裂变堆有着成熟的技术，增大了提前应用聚变能的可能性； l 能有有效的进行燃料的增殖和长寿期放射性核素处理。 相比快堆的增殖来说: l 快堆需要更大的初装料，混合堆可以使用天然铀或者乏燃料； l 快堆倍增时间较长，而一座混合堆可以支持几倍于其功率的压水堆或 者快堆。 19 混合混合堆研究遇到的堆研究遇到的问题问题 l 先进核能开发面临的共性问题新材料开发、验证平台建立、和工程 问题: l 虽然降低了材料需求，但是现有材料依然无法满足需求； l 与裂变反应堆相比，混合堆裂变包层的功率分布的梯度大得多，功率 分布的不均匀，给混合堆的运行造成了困难； l 现阶段还没有廉价且运行稳定的聚变中子源； l 强磁场环境中对冷却剂的选择有着不小的限制。 Energy may well be the problem of the age. And