[發明專利]一種聚變堆固態水冷包層產氚增殖劑-中子倍增劑

有效

• 申請號: 201910498081.5
• 申請日: 2019-06-10
• 公開（公告）號: CN110148478B
• 公開（公告）日: 2021-01-01
• 發明（設計）人: 黃凱;劉松林;戚強;祝慶軍;陳磊;馬學斌
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G21B1/11
• 分類號: G21B1/11
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

本發明公開了一種聚變堆固態水冷包層產氚增殖劑?中子倍增劑，采用復相核殼的球形結構，內核為鈹球，球殼為陶瓷態鈦酸鋰，陶瓷態鈦酸鋰包覆鈹球。本發明為提高填充因子從而增加包層的產氚率，采用優化直徑比的兩元球床形式。由這種新型增殖?倍增劑填充的水冷包層克服了鈹作為中子倍增劑在事故工況下可能與水接觸發生反應產生氫氣的問題，從而能夠有效提升水冷包層安全性。此外，這種增殖?倍增劑小球的鈹核心產生的倍增中子在釋放的過程中必需經過外部包覆的增殖層，可望從宏觀上增加中子與增殖劑反應的幾率從而提高包層的總體產氚率。

技術領域

本發明涉及核聚變工程領域，具體是一種聚變堆固態水冷包層產氚增殖劑-中子倍增劑。

背景技術

可控熱核聚變能代表著人類能源的未來和希望。作為可控熱核聚變兩種實現方式之一的磁約束聚變堆(托卡馬克裝置)的研發歷史已經有超過半個世紀，目前世界各國共同籌建的國際熱核聚變實驗堆(ITER)可望為邁向聚變能發電的工程化目標打下基礎。

包層是聚變裝置的關鍵能量轉換部件，其主要功能包括：1)氚增殖，產生真空室芯部聚變反應所需的氚，實現裝置的氚自持運行；2)能量轉換，將聚變反應獲得的高能粒子能量轉換為更便于利用的熱能；3)輻射屏蔽，阻止包層內放射性產物的擴散，包容放射性物質以便進行后處理。因此，包層是聚變能走向應用的關鍵技術載體之一，而通過增殖劑獲得產氚能力又是包層的首要功能。包層根據增殖劑形態的不同可分為固態和液態兩類，而根據冷卻劑不同可分為水冷和氦冷兩類。其中水冷包層采用固體陶瓷態鋰化物作為氚增殖劑，輕水作為冷卻劑，具有技術成熟、載熱能力強、可行性高等優點。

依托于國家磁約束核聚變發展研究專項課題，中國科學院等離子體物理研究所開展了面向中國聚變工程實驗堆(CFETR)候選包層概念之一的水冷陶瓷增殖劑包層(WCCB)設計研究。WCCB包層采用Li₂TiO₃/Be₁₂Ti混合球床作為產氚載體，其中Li₂TiO₃作為產氚增殖劑，Be₁₂Ti作為中子倍增劑用以強化產氚性能。這種增殖球床具有填充率高，產氚能力強等優點，可滿足聚變堆氚自持的需求。但在高溫下，Be可與水反應產生氫氣，因而在冷卻劑喪失事故工況下，由WCCB包層冷卻劑流道破口進入增殖區的水可能與Be₁₂Ti發生反應，生成氫氣從而增加了事故風險。需要采用能夠降低上述風險的新型增殖劑和倍增劑，減小乃至杜絕Be水反應的可能性，從而進一步提高水冷包層事故工況下的安全性。

發明內容

本發明的目的是提供一種聚變堆固態水冷包層產氚增殖劑-中子倍增劑，以提高總體產氚率，避免發生鈹水反應，增強水冷固態包層安全性。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

一種聚變堆固態水冷包層產氚增殖劑-中子倍增劑，其特征在于：采用復相核殼的球形結構，球形結構中內核為鈹球，球殼為陶瓷態鈦酸鋰，其中鈹球作為倍增區，陶瓷態鈦酸鋰作為增殖區包覆用以倍增中子的鈹球內核，由此兼具氚增殖和中子倍增能力。

所述的一種聚變堆固態水冷包層產氚增殖劑-中子倍增劑，其特征在于：設作為倍增區的鈹球半徑為r1，作為增殖區的陶瓷態鈦酸鋰厚度為r2，則r1與r2之比為1:m，其中m的大小取決于聚變堆固態水冷包層設計中增殖劑與倍增劑的體積比。

所述的一種聚變堆固態水冷包層產氚增殖劑-中子倍增劑，其特征在于：采用優化尺寸比例的兩元球床形式，大小球半徑比例設為5:1，提高填充因子以增加聚變堆固態水冷包層的產氚率。

所述的一種聚變堆固態水冷包層產氚增殖劑-中子倍增劑，其特征在于：利用陶瓷態鈦酸鋰隔絕鈹球和聚變堆固態水冷包層中的水冷劑。通過化學性質穩定的鈦酸鋰包覆在能夠與水發生反應的鈹球內核之外，克服了鈹在事故工況下可能與水冷卻劑接觸產生氫氣的問題，可有效提升水冷包層安全性。