[發明專利]一種用于Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室

有效

• 申請號: 201410408853.9
• 申請日: 2014-08-19
• 公開（公告）號: CN104157311A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 祁建敏;王真;周林;梁川;褚衍運;黃洪文;李正宏;彭述明;郭海兵;曾和榮;張建華;許澤平
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院核物理與化學研究所
• 主分類號: G21B1/11
• 分類號: G21B1/11;G21B1/13;G21B1/17
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 卿誠;管高峰

技術領域

本發明屬于核反應堆裝置領域，尤其涉及用于Z箍縮聚變裂變混合能源堆的聚變靶室。

背景技術

Z箍縮驅動聚變-裂變混合能源堆(Z-Pinch-Driven?Fusion-Fission?Hybrid?Power?Reactor,Z-FFR)利用Z箍縮驅動慣性約束聚變(Inertial?Confinement?Fusion,ICF)產生的大量中子驅動次臨界裂變堆而釋放能量，是一種能夠有效應對未來能源危機和環境氣候問題的新能源。Z-FFR需要聚變靶室(Fusion?Chamber)為聚變的產生提供必要的環境，包容聚變產物并提供聚變安全防護功能。能源應用尺度的Z箍縮聚變放能約為每脈沖1～3GJ(1GJ＝10⁹J)，其中80％的能量由聚變高能中子攜帶、用于驅動次臨界裂變堆放能。其余20％的能量由X射線、離子(Ions)和碎片(Debris)攜帶，將在微秒時間尺度內沖擊聚變靶室面向等離子體第一壁(First?Wall,FW)，造成第一壁表面燒蝕和結構破壞，影響靶室安全和運行壽命。當前主要通過在靶室內部填充液態或氣體/氣溶膠來吸收聚變X射線、離子和碎片能量以實現靶室安全防護。這些填充物吸收大量能量后，溫度急劇升高、對靶室第一壁產生熱力學沖擊，同時產生強沖擊波(即輻射驅動沖擊波)、對靶室結構產生強的力學沖擊。因此靶室必須能夠同時承受周期性的熱力學沖擊和力學沖擊。

美國圣地亞國家實驗室(Sandia?National?Laboratory,SNL)提出了Z箍縮慣性約束聚變堆概念“Z-IFE”。其聚變靶室設計針對每脈沖3GJ、0.1Hz運行頻率(10秒一次)的聚變放能，采用厚液遮蔽(Thick?Liquid?Curtain)防護方法，通過高壓噴射氟鋰鈹(Flibe)或鋰鉛(LiPb)液態熔鹽(等效厚度約1m)吸收全部聚變產物。靶室為球形，采用F82H低活化鋼材料，半徑6.5m、壁厚35cm，主要作為結構件、承擔結構支撐和輻射屏蔽功能。

Z-IFE概念是純聚變堆，利用厚液遮蔽(Thick?Liquid?Curtain)方法吸收包括幾乎全部聚變高能中子在內的聚變放能，靶室第一壁面臨較小的熱沖擊問題。但Z-FFR不可能采用厚液遮蔽(Thick?Liquid?Curtain)防護方法，因此熱沖擊問題不可避免，Z-IFE的靶室設計不能解決靶室第一壁的耐熱力學沖擊問題。

同時，Z-IFE的靶室設計采用35cm厚的低活化鋼作為第一壁，具有相當高的結構強度，同樣的力學沖擊在該靶室結構中引起的應力很低，因而安全性很好。但這樣的厚度對高能聚變中子的吸收非常強，由于Z-FFR需要聚變高能中子來驅動次臨界裂變堆放能、而不是被靶室第一壁吸收，因此Z-IFE的靶室設計無法保證Z-FFR的核性能。

美國圣地亞國家實驗室也提出了Z箍縮驅動嬗變堆概念“In-Zinerator”，用于嬗變現有裂變核電站產生的乏燃料。其聚變靶室設計針對每脈沖0.2GJ、0.1Hz運行頻率(10秒一次)的聚變放能，采用在靶室內充1000～2000Pa的Ar氣/氣溶膠以吸收聚變X射線的防護手段。其靶室為圓柱體，采用鎳基高溫合金材料，半徑2m、高5m，第一壁厚5cm、對聚變中子吸收較強，但由于其外部裂變包層反應性較高，穿過第一壁的聚變中子仍能滿足該系統的總體要求。

In-Zinerator主要目的是嬗變現有裂變核電站產生的乏燃料，其外部裂變包層反應性參數k_eff～0.97。因此在聚變靶室設計中，允許采用較厚(5cm)的第一壁以提高結構強度裕量，即使其吸收了部分聚變中子，剩余穿過第一壁的聚變中子仍能滿足要求。而Z-FFR次臨界裂變堆采用天然鈾作為燃料，其反應性參數較低(k_eff<0.7)，確保其具有天然的安全性和經濟性。而這種設計則要求較強的聚變中子來驅動，因此對第一壁厚度提出了苛刻的要求，5cm厚鎳合金將對聚變中子造成無法接受的影響。

同時，In-Zinerator的聚變放能只有每脈沖0.2GJ，因此采用半徑2m的小靶室、充氣氛圍防護就可以滿足靶室耐熱燒蝕和熱力學沖擊要求。而Z-FFR聚變放能超過每脈沖1～3GJ、比In-Zinerator強得多，因此In-Zinerator的小半徑靶室不能解決Z-FFR面臨的耐熱燒蝕和熱力學沖擊要求。

發明內容

本發明的目的在于：針對現有技術的缺陷，提出了一種用于Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室，該靶室設計能夠同時應對熱力學沖擊和力學沖擊，并滿足Z-FFR中子物理學性能要求。