聚变-裂变混合堆系统在能源战略中的地位及其设计中若干问题的分析

简要描述聚变-裂变混合堆在长期能源发展战略中的地位,着重计算分析具有不同类型的聚变堆芯和包层的混合堆生产电能和可裂变核燃料的能力,研究不同类型聚变-裂变混合堆与其支持的卫星堆(如压水堆)组合燃料循环系统生产电能的能力.指出以天然铀或贫化铀为燃料,水冷却的包层设计是一种经济可行、技术风险较小的设计方案.     

离线测量钍快中子裂变反应率方法

钍快中子裂变反应率是钍铀燃料循环中的重要数据.为了测量基于聚变-裂变混合能源堆包层概念设计的钍样品在宏观中子学装置中的钍快中子裂变数据,发展了钍快中子裂变率的离线活化γ测量方法.通过测量232Th裂变碎片85mKr的β衰变产物85Rb发射的151.16 keV特征γ射线,并结合钍裂变产额数据,获得了钍样品装置中232Th裂变反应率的分布.详细介绍了此方法的原理和影响因素,并利用14 MeV的D-T中子源在贫铀球壳中开展了校验实验,实验不确定度为5.3%—5.5%.采用MCNP5程序和ENDF/B-VI及ENDF/B-VII数据库模拟计算的结果与实验结果在实验不确定度内基本符合,这证明该方法能够有效地模拟装置中232Th裂变反应率.     

快中子堆

正一、引言快中子堆(简称快堆)是主要以平均中子能量0.08～0.1 MeV的快中子引起裂变链式反应的反应堆。快中子堆的主要特点是,在堆运行时,新产生的易裂变核燃料(如钚)多于消耗掉的易裂变核燃料钚,即增殖比大于1,易裂变核燃料得到增殖,因此又称为快中子增殖反应堆。运行中真正消耗的是天然铀中不易裂变且丰度占99.2%以上的铀-238。快堆的乏燃料经后处理,钚返回堆内再烧,多余的     

Z箍缩聚变裂变混合堆包层中子学分析

作为一种有竞争力的能源系统,Z箍缩聚变裂变混合堆(Z-FFR)正在开展概念研究,包层研究正是其中重要的一部分。建立了Z-FFR包层设计模型,分析了包层影响因素、中子平衡、通量与功率密度、燃耗等方面,表明该包层设计在50年内能量放大因子、氚增殖比和燃料增殖比的平均值分别为14.91,1.294和5.140,满足设计要求。针对聚变源的脉冲特性进行了包层的瞬态中子学分析,发现燃料区中子脉冲可分为聚变中子、瞬发裂变中子和缓发裂变中子脉冲三个部分,绝大部分热量约在0.01s内沉积。结果较完整地给出了Z-FFR包层的中子学参数,为概念研究提供了基础。     

次临界能源堆物理设计进展

聚变-裂变混合能源堆包括聚变中子源和次临界能源堆,主要目标是生产电能。回顾了国内外混合堆的发展历史,给出混合能源堆设计的边界条件和约束条件,说明次临界能源堆以铀锆合金为燃料、水为冷却剂的设计思想。利用输运燃耗耦合程序MCORGS计算了混合能源的燃耗,给出了中子有效增殖因数、能量放大倍数和氚增殖比等物理量随时间的变化。通过分析能谱和重要核素随燃耗时间的变化,说明混合能源堆与核燃料增殖、核废料嬗变混合堆的不同特点。论述了混合堆的热工设计并进行了安全分析。对于燃耗数值模拟程序,通过多家对算,保证其计算结果的可信性。针对次临界能源堆的特点,利用贫铀球壳建立了贫铀聚乙烯装置和贫铀LiH装置,并且专门设计加工了天然铀装置,开展铀裂变率、造钚率、产氚率等中子学积分实验,验证了数值模拟的可靠性。     

一种有希望的能源:聚变-裂变混合堆

文章阐述了聚变-裂变混合堆的物理计算。导出更普遍的纯聚变堆和聚变-裂变混合堆的电力得失相当条件和净电输出公式。确定的混合堆主要参数与纯聚变堆INTOR和快中子增殖堆Sup-er Phenix进行比较,证明了混合堆作为一种有希望的能源填补下世纪将要出现的能源空缺具有不少优越性。     

ITER驱动混合堆次临界包层燃料区结构设计与分析

基于国际热核聚变实验反应堆磁约束聚变-裂变混合能源系统次临界包层的物理-热工设计结果,提出了聚变-裂变混合堆次临界包层燃料区结构设计方案,包括纵骨支撑结构、燃料区结构和锆包壳结构。运用Pro/e建模软件建立了次临界包层燃料区结构模型,并利用ANSYS-workbench mechanical有限元分析软件对纵骨式支撑结构开展了初步力学分析,得到了燃料部件和纵骨式多层支撑结构的最大Tresca应力值、应力分布云图和总变形量,其中最大应力为87.04 MPa,最大变形量为0.17mm。按照第3强度理论校核,计算结果表明纵骨式次临界包层结构各部件能够满足强度要求。     

核能与聚变裂变混合能源堆

未来20年将是核能发展的一个关键时期.2035年左右,快堆有望投入商用;磁约束聚变、激光聚变、Z箍缩聚变也都有演示堆计划.聚变演示堆存在纯聚变与聚变裂变混合能源堆两种可能,而后者可降低聚变功率,缓解高能中子对材料的辐照损伤.另外,氘氚聚变供能时间有限.文章介绍了混合能源堆的概念.能源堆可充分利用铀资源,且后处理不涉及铀钚分离,有很好的防扩散性能.裂变堆、聚变堆、能源堆共同发展,可望使核能在不太长的时间内获得大规模应用,并可为人类提供千年以上的能源供应.     

聚变-裂变混合堆快裂变包层与抑制裂变包层的比较

以生产核燃料为主要目的的聚变-裂变混合堆包层,可采用两种不同的设计方案:快裂变包层和抑制裂变包层。它们各具有其长处和不足。本文以两个典型的包层结构为例,作了快裂变包层和抑制裂变包层的中子学计算和对比分析。其结果可作为包层选型设计及技术可行性、安全性、经济性分析的参考。     

我国快堆技术发展和核能可持续应用

 一、前言
快中子堆(简称快堆)是主要以平均中子能量0.08～0.1MeV 的快中子引起裂变链式反应的反应堆。快中子堆的主要特点是,在堆运行时,新产生的易裂变核燃料,如钚,能多于消耗掉的易裂变核燃料钚或235U,即增殖比大于1,易裂变核燃料得到增殖,因此又称为快中子增殖反应堆。运行中真正消耗的是天然铀中不易裂变,且丰度占99.2%以上的238U。快堆的乏燃料(即运行后出堆的燃料)经后处理,所得钚返回堆内再烧,多余的钚则用于装载新的快堆。如此封闭并无限次循环则对铀资源的利用率可从单单发展压水堆的1%左右提高到60%～70%。     

Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆总体概念研究进展

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)在核安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境、气候问题的新能源。从Z箍缩驱动聚变方案与聚变靶设计、重复频率驱动器、次临界包层及产氚包层设计、燃料循环等关键问题方面,对Z-FFR工程概念总体研究情况进行了介绍。     

In-Zinerater液态包层输运燃耗数值模拟

Z-Pinch惯性约束聚变是未来一种有竞争力的能源候选方案。Z-Pinch驱动的聚变裂变混合堆可高效地嬗变反应堆乏燃料中分离出的超铀元素。对美国Sandia国家实验室提出的In-Zinerater混合堆概念进行了中子学分析和数值模拟。在三维输运燃耗耦合程序MCORGS中增加了处理在线添加燃料与去除裂变产物的功能,实现了对液态燃料燃耗过程的模拟。增加6Li丰度和燃料初装量保持寿期初反应性不变,可以减缓寿期内反应性下降趋势。逐步增加包层内超铀元素装量,可以控制整个寿期内反应性基本恒定。聚变功率取20 MW,通过反应性控制,5年内包层能量放大倍数在160～180之间,氚增殖比在1.5～1.7之间,优于In-Zinerater基准设计方案。     

共生聚变堆

本文提出一种以发展聚变动力为主的共生式途径。它以当前正在出现的这一代聚变物理试验堆为起点,分成两路进行,一路是纯聚变堆,另一路是单个的氘发生器,可能是聚变裂变混合堆,它给纯聚变堆补充所需的氘。这两类堆长期结合共生,配合发展.形成一系需氚的纯聚变堆和一系供氚的混合堆,统一优化,保持氚自给,消耗氘锂和快中子裂变材料,提供净输出功率。 对纯聚变堆方面,放弃了传统的氚自给这一基本要求。能量的有效回收成为设计:的主要前提。优化的结果,用12—15厘米厚的含锂的水作为中子慢化回收能量的介质,附带地还能再生所耗氚的80％。不足的20％稍多的氚,将长期地由一个具有低Q聚变芯并依照生产氚的要求来改型并优化的一比一聚变裂变堆来补充。共生的两个堆,尺寸都较小,在等离子体物理和工程上有一些优点。对共生堆和具有相等总输出功率的,一般氚自给聚变堆作了比较,表明在动力经济上有相当大的收益。 简单地讨论了几种有关的概念。     

300＃堆在线产氚回路及其应用

本文介绍了３００~＃堆在线产氚回路的组成及其主要指标、回路运行和释氚实验概况,阐明了在线产氚回路在聚变裂变混合堆包层产氚研究中的应用和前景． An in-pile tritium production apparatus in SPRR-300 and its main charactersare introduced. The operation of the apparatus and the tritium release experiments arebriefly described. The utilization of the apparatus in tritium production study of fusionfission hybrid reactor blanket and its future are reviewed.     

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆总体概念研究

中国工程物理研究院提出的Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)概念,采用Z箍缩热核聚变产生的大量中子驱动次临界裂变堆而释放能量,集成了"局部整体点火"聚变靶、"先进次临界能源堆"等创新概念,在安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境气候问题的千年能源。简要回顾了国内外Z箍缩聚变能源(Z-IFE)的相关研究进展,介绍了中国工程物理研究院在Z-FFR方向的总体概念研究情况,从驱动器、聚变靶设计和次临界裂变堆三方面阐述了此能源系统的原理结构和运行特点,对其经济性进行了评估,同时提出了未来Z-FFR的发展路线图设想。     

随机填充增殖剂球床内载气流动特性数值模拟

固态氚增殖包层是聚变堆及聚变-裂变混合堆产氚包层的重要候选结构之一,其球床通道内载气流动特性将影响氚提取效率。利用离散元方法(DEM)生成随机填充增殖剂球床,通过径向孔隙率分布验证其合理性,计算流体力学(CFD)模拟计算其通道内气体流场特征。模拟得到:球床内吹扫氦气流速随孔隙率波动并随入口流速增大而均匀增大,通道内氦气流向及流速变化显著,Blake-Kozeny方程可良好预测该随机填充球床通道压降。     

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对新提出的套管结构聚变-快裂变增殖堆包层概念设计方案进行了热工水力学分析和设计,给出了典型的热工设计参数,并结合大型热工水力学软件CFX对其进行了温度场和压力分布的模拟分析。分析结果表明,材料温度均已低于许用温度,冷却剂出口温度高于773K,冷却剂压降也符合工程上的要求,初步验证了增殖堆包层设计的合理性。     

球形环托卡马克堆嬗变中子学设计

高放废物的安全处置已经成为制约裂变能健康发展的关键问题之一，越来越受到国际社会的普遍关注。聚变．裂变混合堆可以用于增殖核燃料和嬗变处置来自裂变电站乏燃料中的长寿命放射性核废物。本文以球形环托卡马克ST作业驱动器，研究了嬗变处置高放废物HLW的物理可行性。     

中子学积分实验

从６０年代开始，我所就开展了聚变中子积分实验，完成了造氚率、裂变率、穿透率及泄漏中子能谱测量等研究课题。１９８７年以来承担了“８６３”计划的聚变裂变混合堆包层中子学积分实验，开展了Ｂｅ、Ｐｂ的１４ＭｅＶ中子倍增率实验，其中Ｂｅ实验为中、美、日国际合作，实验误差为２．８％，实验结果为理论计算提供积分检验。     

铀基聚变-裂变混合堆次临界能源包层有限元力学分析

次临界能源包层是聚变-裂变混合堆的重要部件,对其进行力学特性分析研究是确保整个反应堆正常运行的关键。本文利用有限元分析软件对次临界能源包层的第一壁结构、支撑固定结构的相关零部件开展了初步的力学分析,得到了各零部件相关结构的最大应力值、应力分布云图和变形分布云图,其中支撑结构的最大应力位于加强筋板与圆柱定位销的连接处,应力值为310.2 MPa;第一壁的最大应力位于“U”形流道拐角处,应力值为240.7 MPa;按相应的评价准则进行结构的强度和刚度校核,计算结果表明次临界能源包层各零部件能够满足计算工况下的强度和刚度要求。