[發明專利]基于氘氧化鋰重水溶液的氚增殖包層系統

在審

• 申請號: 201310456214.5
• 申請日: 2013-09-29
• 公開（公告）號: CN103500588A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 羅天勇;張建利
• 申請（專利權）人: 羅天勇;張建利
• 主分類號: G21B1/11
• 分類號: G21B1/11;G21B1/13
• 代理公司: 寶雞市新發明專利事務所 61106
• 代理人: 席樹文

技術領域

本發明屬于聚變氚增殖包層技術領域，具體涉及一種新的聚變氚增殖包層系統方案，用于解決國際熱核聚變實驗堆(ITER)后的氘氚聚變技術研究裝置、聚變工程技術實驗堆以及聚變示范堆的氚自持問題。

背景技術

根據目前的磁約束等離子體聚變控制技術發展趨勢，國際熱核聚變實驗堆(ITER)后的磁約束聚變示范堆將主要采用氘氚作為基本燃料。氘在自然界中的含量較為豐富，但氚在自然界中含量極為稀少（大氣中總量不足1公斤），必須通過聚變堆的氚增殖包層實現氚自持（既一個氚參與聚變反應產生一個中子，該中子被增殖包層中的鋰吸收又產生一個氚繼續參與聚變反應）。一般采用包層產氚率（TBR）來反映氚增殖包層概念設計是否能滿足聚變堆氚自持的需要。一般來說氚增殖包層的TBR應該大于1，考慮到氚在循環過程中的損失以及為下一個聚變堆裝置提供足夠的啟動氚以盡快實現聚變堆的規模倍增，一些學者認為ITER后的聚變示范堆的TBR應該大于1.15。這對聚變堆氚增殖包層的概念設計而言是一個很嚴峻的挑戰。

國際上曾經就如何實現聚變堆的氚自持提出過多種氚增殖包層概念，經過長期的研究比較，目前主要有兩大類概念，一類圍繞固態氚增殖劑，采用氦冷或水冷的方式，以低活性鐵素體/馬氏體（以下簡稱RAFM）鋼為結構材料的固態氚增殖包層概念，而另一類則是圍繞液態鋰鉛增殖劑，采用單冷或雙冷的方式，以RAFM鋼為結構材料的液態氚增殖包層概念。而中國選擇了固態氚增殖劑/氦冷/RAFM鋼氚增殖包層概念（HCCB）和液態鋰鉛增殖劑/雙功能/RAFM鋼氚增殖包層概念（DFLL）加以研究發展。

其中，氦冷固態增殖劑（HCCB）包層概念設計采用2×6的模塊化設計，模塊尺寸按1/2垂直實驗窗口布置；氚增殖劑采用Li4SiO4的鋰陶瓷小球，中子倍增劑采用鈹金屬微球，均為球床結構；結構材料采用低活化RAFM鋼；8MPa壓力、進出口溫度分別為300℃和500℃的氦氣作為冷卻劑。雙功能液態鋰鉛(DFLL)包層概念設計也按照1/2垂直實驗窗口布置，采用低活化RAFM鋼作為結構材料，采用氦氣冷卻結構部件；單冷模式時，液態鋰鉛僅作為增殖劑而不作為冷卻劑，鋰鉛流動速度慢（<1mm/s），出口溫度較低（～400℃）；雙冷模式時，液態鋰鉛不僅作為增殖劑而且作為冷卻劑攜帶核熱，鋰鉛流動速度快(～10mm/s)，出口溫度較高（700℃）。

與液態鋰鉛氚增殖包層概念相比，固態氚增殖包層概念比較安全可靠，沒有液態鋰鉛在磁約束聚變裝置的強磁場下流動帶來磁流學問題。但缺點也很突出，就是在今后的聚變示范堆中如何實現在線換料問題。國外一些專家提出了利用固態氚增殖包層球床自身特有的類似液體的流動性，用載氣吹動小球，讓固態氚增殖劑也“流動”起來，從而實現換料。但對目前中國的氦冷固態增殖劑（HCCB）包層概念設計而言，這種換料方式實現起來比較困難，主要是由于中國的HCCB包層概念設計采用了子模塊的概念，相比歐洲和日本的固態氚增殖包層模塊，內部結構要復雜得多，導致提氚載氣的流動路徑非常曲折，特別是球床區和提氚載氣管道之間采用了柵欄，使鋰陶瓷小球的流動變得不可能。

從提氚技術角度，HCCB和DFLL兩種氚增殖包層系統目前的氚提取都是采用含有氫氣的氦氣作為載氣利用同位素的置換效應將氚從鋰陶瓷小球（HCSB概念）或鋰鉛合金（DFLL）帶出，由于氚在鋰陶瓷和鋰鉛合金都有一定的溶解度，因此這兩種包層概念都會存在氚的滯留問題，因此需要高溫的載氣（600度以上）以增強氚的析出。而由載氣帶出的氚根據目前兩個概念的提氚系統設計需要通過低溫（達到液氮溫度）選擇性吸附實現氦與氫同位素，分離后的氦再重新加熱到500度以上送回氚增殖區作為載氣去提氚，從今后聚變示范堆的角度，這樣的提氚路線是很不經濟的。

針對現有的固態和液態兩種聚變包層氚增殖解決方案存在的問題，我們提出了一種基于氘氧化鋰重水溶液的新的聚變包層氚增殖解決方案。

發明內容

本發明的目的是提供一種新的聚變堆包層氚增殖解決方案，以解決國際熱核聚變實驗堆(ITER)后的氘氚聚變技術研究裝置、聚變工程技術實驗堆以及聚變示范堆的氚自持問題。

為實現上述目的，本發明的技術方案為，一種基于氘氧化鋰重水溶液的新的聚變堆氚增殖包層系統，該系統包括以下特征：

一，該系統由氚增殖包層本體、一回路系統、氚富集系統三部分組成，氚增殖包層本體與一回路系統通過流體進口、流體出口兩個管口連接，一回路系統通過其減壓汽液分離裝置的蒸汽出口與氚富集系統連接。