聚變-裂變混合堆調(diào)研報告_第1頁
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1、2014年10月17日,聚變-裂變混合堆調(diào)研,嚴仕先,混合堆簡介,利用聚變反應堆芯部產(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。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

2、著巨大的浪費。,混合堆簡介,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 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239Pu3)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

3、深埋或封存留待處理狀態(tài)。,混合堆簡介,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?;旌隙寻鼘赢a(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)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。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

4、利用的第一階段已是既定方針。,混合堆相比快堆的優(yōu)勢,二者都是增殖堆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?;旌隙巡皇芄I(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(jīng)濟力量許可,就可加速發(fā)展?;旌隙?壓水堆共生系統(tǒng)的電能價格比快堆-壓水堆共生系統(tǒng)便宜混合堆-壓水堆共生系統(tǒng)對鈾資源消耗比快堆-壓水堆共生系統(tǒng)低混合堆-壓水堆共生系統(tǒng),對于釷資源利用比較經(jīng)濟,

5、混合堆相比快堆的優(yōu)勢,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(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

6、,考驗材料與設備,積累設計、建造和運行的經(jīng)驗。而快堆作為一種過渡堆是完全孤立的,對聚變發(fā)展沒有直接關系。,國內(nèi)外混合堆型,SABR堆,SUBCRITICAL ADVANCED BURNER REACTOR,SABR裂變包層,SABR裂變包層,燃料橫截面圖,燃料布置圖,SABR裂變?nèi)剂习糨S向穩(wěn)態(tài)溫度分布,SABR裂變?nèi)剂习糨S向穩(wěn)態(tài)功率分布,慣性約束核聚變-裂變混合堆,裂變?nèi)剂习?鋯合金包裹的錒系元素棒(Np, Am, Cm …),鈹包裹的

7、Li6棒,激光,靶核,冷卻劑 (液態(tài)Na),中子反射層(Ni),混合堆的安全性,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(chǎn)生的核廢物及其放射性的危害① 混合堆為次臨界堆,具有較好的固有安全性;② 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)化設計的抑制裂變混合堆更安全;③ 正常運行時, 混合堆包層放射性與同等熱功率

8、裂變動力堆相近;④ 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。,混合堆事故分析,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(tǒng)的可靠性, 保證各應急安全系統(tǒng)在事故時有足夠高的可用度。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

9、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, 降低其失效率。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, 在設計中應保證該系統(tǒng)具有高度的可靠性。,停堆后放射性活度及余熱,混合堆與輕水堆組合系統(tǒng),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 混合堆可設計為以生產(chǎn)能

10、量為主,也可設計為以生產(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,混合堆優(yōu)勢,降低了對聚變堆芯的要求,緩解目前面臨的材料壓力;結合了聚變堆中子多和裂變堆能量富集的優(yōu)點;作為次臨界堆,有可能更加安全;裂變堆有著成熟的技術,增大了提前應用聚變能的可能性;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: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;快堆倍增時間較長,而一座

11、混合堆可以支持幾倍于其功率的壓水堆或者快堆。,混合堆研究遇到的問題,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:雖然降低了材料需求,但是現(xiàn)有材料依然無法滿足需求;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;現(xiàn)階段還沒有廉價且運行穩(wěn)定的聚變中子源;強磁場環(huán)境中對冷卻劑的選擇有著不小的限制。,,感謝聆聽,敬請?zhí)釂?,"Energy may we

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