一种聚变裂变反应堆的包层系统的制作方法

本发明涉及核聚变裂变反应堆技术领域，特别涉及一种聚变裂变反应堆的包层系统。

背景技术：

能源是现代经济社会发展的物质基础，也是经济社会发展的重要制约因素，能源安全事关经济安全和国家安全，能源消耗对生态环境的影响日益突出。中国作为世界第一人口大国和最大的发展中国家，已是全球第二大能源生产国和消费国。面对日益紧张的能源局势，我国大力提倡节能降耗，并不断提高现有能源的生产和利用效率。我国当前的能源消费以煤为主，不仅煤炭的供给能力面临极大压力，煤炭大量生产和使用中存在的资源回采率低、烟尘、粉尘、NOx以及CO2排放量都将对生态环境造成极大压力，可见，要实现建设“低碳”社会的目标，我国需要大力改善能源结构。中国《核电中长期发展规划（2005 -2020年）》指出核能是一种安全、清洁、可靠的能源，同时，将核电发展战略由“适度发展”转变为“积极发展”。核能的大规模部署，需协调解决好资源利用效率以及乏燃料后处理等问题。热中子堆的铀资源利用效率仅有1%，中长期持续大规模发展受到铀资源利用效率低的限制。快中子反应堆可将铀资源利用效率提高到60%，目前技术发展也比较成熟，有望成为新一代的主力核能系统，但快堆初装堆芯需大量浓缩铀和钚，燃料后处理需要同位素分离和铀钚分离，且燃料增殖速度与安全性之间存在制约关系，因而燃料倍增周期很长，在本世纪中叶甚至更长时间都难以大规模部署。在可以预见的一段时期内，纯聚变的商业化能源应用还无法实现，主要受到材料耐辐照性能、实现商业发电所需的高Q（聚变释放能量与实现聚变所需提供的加热能量之比）值困难的限制，长期来看还要受到氚资源的限制。传统概念的混合堆主要是进行核燃料增殖与核废料嬗变，他们大都有系统复杂、需要燃料后处理、经济性较差和受限于纯聚变堆芯的科学技术难题等特点，因而传统功能定位的混合堆难以得到较大发展。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明的技术目的在于提供一种模块化结构的聚变裂变反应堆的包层系统，这种包层系统能够对低浓度的铀资源进行利用，使得U238发生大规模裂变反应将能量放大，次临界裂变包层的能量输出系统将次临界裂变包层产生的热能载出，避免对核废料的处理。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明的聚变裂变反应堆的包层系统，包括：若干瓣包层模块，所述包层模块拼接包裹在聚变靶室外而形成360°的包层系统，所述包层系统的顶部设有换靶机构安装口，底部设有堆芯余氚回收口，每瓣包层模块包括若干连接的产氚模块、若干连接的燃料模块及支承装置，所述支承装置具有朝向聚变靶室中心的内凹部，所述内凹部内表面覆盖有产氚模块及燃料模块，所述产氚模块设于燃料模块的外层。

本发明的聚变裂变反应堆的包层系统，所述产氚模块与燃料模块之间还设有工程通道。

本发明的聚变裂变反应堆的包层系统，所述包层模块为18瓣，所述包层系统沿纵轴的截面形状为六边形，所述六边形沿纵轴对称，所述支承装置包括横向筋骨和极向纵骨，横向筋骨将极向纵骨连接固定。

本发明的聚变裂变反应堆的包层系统，所述燃料模块包括依次连接的上部燃料模块、中部燃料模块和下部燃料模块，上部燃料模块与下部燃料模块为梯形结构，中部燃料模块为矩形结构。

本发明的聚变裂变反应堆的包层系统，，所述燃料模块包括锆材质的外壳、设于外壳内的裂变燃料和嵌入裂变燃料内的冷却剂压力管，所述上部燃料模块与下部燃料模块内均嵌有2～6层冷却剂压力管，所述每层冷却剂压力管回折形布置在上部燃料模块与下部燃料模块内，所述中部燃料模块内的冷却剂压力管纵向布置，所述上部燃料模块、中部燃料模块及下部燃料模块内的冷却剂压力管依次连通。

本发明的聚变裂变反应堆的包层系统，所述内凹部内表面纵向设有若干用于支撑燃料模块的定位导向隔板，所述每块定位导向隔板沿包层系统的纬度方向安装，所述定位导向隔板上设有用于连通工程通道的注水孔。

本发明的聚变裂变反应堆的包层系统，所述产氚模块包括截面为U型的锆包壳及球形的Li4SiO4增值剂，所述锆包壳内设有若干截面为U型的隔板，隔板之间形成水流通道及氦气通道，水流通道与氦气通道间隔设置，氦气通道内填充有Li4SiO4增值剂，水流通道及氦气通道一侧设有进口，另一侧设有出口。

本发明的聚变裂变反应堆的包层系统，所述产氚模块包括通过水慢化冷却管及氦气管而依次连接的上部产氚模块、中部产氚模块和下部产氚模块（103），所述上部产氚模块与下部产氚模块为梯形，中部产氚模块为矩形。

本发明的聚变裂变反应堆的包层系统，所述水慢化冷却管包括与水流通道连接的进水管及出水管，氦气管包括与氦气通道连接的进气管及排气管。

本发明的聚变裂变反应堆的包层系统，所述燃料模块面向等离子体的第一壁上涂有低活化铁素体/马氏体RAFM钢作为涂层，所述涂层的厚度为8～15mm。

本发明的有益效果是:

1、通过将聚变裂变反应堆的包层系统设为18瓣包层模块，每瓣包层模块均为独立模块，能够使得包层系统模块化生产与装配，能够减少生产时间，降低装配难度，降低生产成本；

2、单瓣包层燃料模块是组成次临界能源包层活性区的基本结构单元，由此实现中子倍增和放出核裂变能，是能源包层的释热元件，通过在每个燃料模块内嵌入设有冷却剂压力管，能够很好的保证一回路压力边界完整性，燃料模块中内嵌冷却剂压力管道被设计成串联贯通结构，设有多层冷却剂压力管回折形布置在上部燃料模块与下部燃料模块内，所述中部燃料模块内的冷却剂压力管纵向布置，从而使得冷却剂通过这些内嵌的压力管带走活性区的热量；为了防止核裂变产物从燃料模块中泄漏出来，所以燃料模块设计有箱匣密封结构的锆包壳，从而实现对核燃料裂变产物的屏蔽；

3、设有的产氚模块保证了产氚模块中的水慢化冷却管和氚增殖剂小球区的互相独立，稳态运行时Li₄SiO₄球床间隙中再通入氦气载带氚，Li₄SiO₄小球填充区还兼顾构成了氦气载氚流道，最大化聚变中子的利用，并降低实现预期的能量增益和氚增殖比所需的keff，提高产氚效率，包层在深度次临界状态下工作，确保在任何情况下维持反应堆次临界。

附图说明

图1是聚变裂变反应堆的包层系统的单瓣包层结构图；

图2是聚变裂变反应堆的包层系统的单瓣包层支撑结构图；

图3是聚变裂变反应堆的包层系统的单瓣包层燃料模块结构图；

图4是中部燃料模块中冷却剂压力管结构图；

图5是下部燃料模块中冷却剂压力管结构图；

图6是冷却剂压力管设于燃料模块中的局部结构图；

图7是产氚模块的结构图；

图8是图5中A的局部放大图；

图9是聚变裂变反应堆的包层系统的单瓣包层产氚模块结构图。

图中标记：1为产氚模块、101为上部产氚模块、102为中部产氚模块、103为下部产氚模块、104为隔板、105为氦气通道、106为锆包壳、107为Li₄SiO₄增值剂、108为水流通道、109为水慢化冷却管、110为进水管、111为出水管、112为氦气管、113为进气管、114为排气管、2为燃料模块、201为冷却剂压力管、3为工程通道、4为支承装置、401为内凹槽、402为横向筋骨、403为极向纵骨、5为定位导向隔板、6为注水孔、7为下部燃料模块、8为中部燃料模块、9为上部燃料模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8及图9所示的聚变裂变反应堆的包层系统，包括：18瓣包层模块，所述包层模块拼接包裹在聚变靶室外而形成360°的包层系统，每瓣包层模块包括若干连接的产氚模块1、若干连接的燃料模块2及支承装置4，所述包层系统的顶部设有用于安装聚变负载的开口，底部设有用于安装堆芯余氚回收系统的开口，所述支承装置4具有朝向聚变靶室中心的内凹部401，所述包层系统沿纵轴的截面形状为六边形，所述六边形沿纵轴对称，所述内凹部401内表面覆盖有产氚模块1及燃料模块2，所述产氚模块1设于燃料模块2的外层看，产氚模块1及燃料模块2均单独制造和安装。

所述产氚模块1与燃料模块2之间还设有工程通道3，工程通道3在严重事故条件下，安全壳内置有安全水箱，依靠重力非能动地向工程通道中注水，水从工程通道3的底部进入，并从工程通道3底部向上流动，通过自然循环冷却燃料模块内壁面，实现堆内热量的导出，当热量排出时，工程通道内部支撑构架可以承受严重事故时的冲击载荷，并且工程通道3通常不需要大范围的维修，可靠性周期检查可以在停堆换料期间进行。工程通道注水系统，设于包层系统外部，通过管道与工程通道连接，属于独立的安全系统，在事故中，以燃料温度作为控制信号，温度达到整定值即启动系统，安全壳内置水箱依靠位差向工程通道注水，淹没次临界能源包层。产生蒸汽依靠非能动安全壳冷却系统（安全壳顶部换热器）将热量传递到安全壳外置贮水箱，冷凝水经安全壳回水槽收集后回流到安全壳内置水箱及地坑中，实现闭式循环。工程通道3可提高严重事故后锆箱壁内的保持力。在严重事故工况下，工程通道3使燃料模块的热量通过靠近燃料区锆箱壁的水沸腾而排出，能够控制燃料区熔化进程，保持次临界能源包层的完整性。在工程通道3内充满水并且燃料区热量被水和所产生的蒸汽经过锆箱壁导出期间，工程通道可承受阶跃的冲击压差。

所述支承装置4包括横向筋骨402和极向纵骨403，横向筋骨402将极向纵骨403连接固定。上述，极向纵骨403作为包层系统受载主体，承受和传递包层外力，横向筋骨402用于提高真个支承纵骨的强度、刚度与稳定性。支承装置4可由4根极向纵骨403与若干水平设置的横向筋骨402焊接在一起，并且支承装置4靠近堆芯侧上部及下部设有三角形的支撑构件，三角形的支撑构件通过斜拉的方式加以支撑，从而在支承装置4上形成内凹部401，内凹部401用于安装产氚模块1与燃料模块2及工程通道3，这种支承装置4能够减小中子学性能的损失。

所述燃料模块2包括依次连接的上部燃料模块9、中部燃料模块8和下部燃料模块7，上部燃料模块9与下部燃料模块7为梯形结构，中部燃料模块8为矩形结构，上部燃料模块9与下部燃料模块7对称设置，其中的燃料模块2的冷却剂压力管201中的冷却剂从下向上流动。所述燃料模块2包括锆材质的外壳202、设于外壳内的裂变燃料203和嵌入裂变燃料内的冷却剂压力管201。所述上部燃料模块9与下部燃料模块7内均嵌有2～6层冷却剂压力管201，冷却剂压力管201可为3层，所述每层冷却剂压力管回折形布置在上部燃料模块9与下部燃料模块7内，所述中部燃料模块8内的冷却剂压力管201纵向布置，所述上部燃料模块9、中部燃料模块8及下部燃料模块7内的冷却剂压力管201依次连通。燃料模块2是组成次临界能源包层活性区的基本结构单元，由此实现中子倍增和放出核裂变能，是能源包层的释热元件，采用内嵌压力管式冷却剂管道结构可以很好的保证回路压力边界完整性，燃料模块中内嵌冷却剂压力管道被设计成串联贯通结构，冷却剂可以通过这些内嵌冷却剂压力管201带走活性区的热量；为了防止核裂变产物从燃料模块中泄漏出来，所以燃料模块设计有箱匣密封结构的锆包壳，从而实现对核燃料裂变产物的屏蔽。

所述内凹部401内表面纵向设有若干用于支撑燃料模块的定位导向隔板5，所述每块定位导向隔板5沿包层系统的纬度方向安装，所述定位导向隔板5上设有用于连通工程通道的注水孔6。

所述产氚模块1包括截面为U型的锆包壳106及球形的Li₄SiO₄增值剂107，所述锆包壳106内设有若干截面为U型的隔板109，隔板109之间形成水流通道108及氦气通道105，水流通道108与氦气通道105间隔设置，氦气通道105内填充有Li₄SiO₄增值剂107，水流通道108及氦气通道105一侧设有进口，另一侧设有出口。

所述产氚模块1包括通过水慢化冷却管109及氦气管112而依次连接的上部产氚模块101、中部产氚模块102和下部产氚模块103，所述上部产氚模块101与下部产氚模块103为梯形，中部产氚模块102为矩形，产氚模块1中水慢化冷却管109设计成一种“U”形结构，以适应锆包壳106的结构。所述水慢化冷却管109包括与水流通道108连接的进水管110及出水管111，氦气管112包括与氦气通道105连接的进气管113及排气管114。

所述产氚模块1采用温度为150℃、压力为4Mpa的轻水作为慢化剂，流道内的H₂O能够让燃料组件中富余中子在进入产氚模块1后被进一步慢化再与Li-6反应而提高产氚率，并及时带走氚增殖区中的部分核热以保证最佳释氚温度，水流通道108与氦气通道105相间排布，氦气通道105中填充有小球形状的Li₄SiO₄增值剂，从而保证了产氚模块中的冷却剂流道和氚增殖剂小球区的互相独立；稳态运行时Li₄SiO₄增值剂球床间隙中再通入氦气载带氚，所以Li₄SiO₄增值剂小球填充区还兼顾构成了氦气载氚流道，从而能够提高产氚率。

所述燃料模块2面向等离子体的第一壁上涂有低活化铁素体/马氏体RAFM钢作为涂层，所述涂层的厚度为8～15mm，第一壁的厚度可为12mm，第一壁能够具有非常强的抗辐照损伤能力。

因此，该聚变裂变反应堆的包层系统及具有该聚变裂变反应堆的包层系统能够提高裂变资源利用效率，充分利用贫铀和钍；只驱除部分裂变产物而不进行同位素分离的简化后处理方法，能实现燃料长期平衡循环；能焚烧裂变核能核废料，协助裂变核能实现闭合循环；包层接近实现完全包围聚变等离子体，最大化聚变中子的利用，并降低实现预期的能量增益和氚增殖比所需的keff，包层在深度次临界状态下工作，确保在任何情况下维持反应堆次临界，更加安全，混合能源堆考虑采用合金型燃料，如天然铀、贫铀、热中子反应堆卸出的乏燃料，前端不涉及铀浓缩，后端则有利于简化卸料的后处理，目前设计的后处理工艺只涉及有害裂变气体和裂变碎片的驱除而不涉及同位素分离，不存在将多余的钚提取出来的可能，因而也就不存在核扩散的风险。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。