地下中子能电站的制作方法

本实用新型涉及能源环境与地下空间领域，尤其涉及一种地下中子能电站。

背景技术：

近年来，我国的环境污染越来越严重，上百个城市受雾霾困扰。通过对历史数据的分析和调研发现雾霾问题产生的根本原因在于煤炭消耗占比过高。2015年，我国煤炭消耗占比约64％，是导致我国环境问题和雾霾天气的主要原因。借鉴英德的经验，为治理环境问题，必须降低煤炭的消耗占比。当煤炭消耗占比降低到35％时，空气质量得到了明显好转；当煤炭消耗占比降低到25％时，雾霾等环境问题基本消除。为此，必须需要找到替代30％能源的清洁能源。

传统的清洁能源包括风能、太阳能、水能和地热能等。但是风能和太阳能受环境条件制约，设备利用率低，目前的技术不满足大规模发展的条件。水电由于水资源分布不均匀，开发潜力有限，且存在对生态环境破坏的风险。地热能属于新型能源，尚处于初步利用阶段，目前的技术大多利用浅层地热能，不具备提供大规模能源供应的可能。依据我国中长期规划，我国非石化能源在2030年占比约20％，不能满足大规模替代煤炭资源的可能性。

核电作为一种新型能源，具备提供大规模能源的可能，但是其发展却遇到了巨大的阻力：(1)核事故影响巨大，比如日本核岛事故；(2)我国铀矿资源缺乏，富集铀的燃料模式难以满足长久发展；(3)存在高放性核废料，具有长期危害性，且后期处置费用较高。依据我国发展规划，我国核电在2030年总装机量1.5亿千瓦，占总发电量的8％～10％，不存在提供30％能源的可能。

综上所述，目前常用的清洁能源不存在提供30％替代能源的可能性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种地下中子能电站，能充分利用燃料进行供电和供热，其燃料利用率高，该地下中子能电站位于地下空间内，呈长条形布置，其关键设备小型化，能永久封存燃料，安全可靠。

本实用新型的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本实用新型提供一种地下中子能电站，所述地下中子能电站位于地下硐室中，其包括：

中子源系统，其位于所述地下硐室的一端，所述中子源系统具有用于发射离子的离子束管；

能量产生系统，其位于所述地下硐室的下方，所述能量产生系统具有放置堆芯的反应容器，所述反应容器与所述离子束管之间密封连接有耦合结构；

发电系统，其位于所述地下硐室的另一端，所述发电系统与所述能量产生系统相连；

余热采集利用系统，其位于所述地下硐室的另一端，所述余热采集利用系统分别与所述能量产生系统、所述发电系统相连。

在本实用新型的实施方式中，所述地下硐室的下方设有防核素迁移屏障体，所述能量产生系统位于所述防核素迁移屏障体内。

在本实用新型的实施方式中，所述防核素迁移屏障体包括：

设置在所述地下硐室下部的人工屏障结构体，所述人工屏障结构体具有底壁、周侧壁及顶壁，所述底壁、所述周侧壁及所述顶壁之间形成有容纳腔，所述能量产生系统放置在所述容纳腔中，所述底壁、所述周侧壁及所述顶壁均具有由内至外依次设置的铅粉混凝土层、粘土层和钢筋混凝土层；

注浆层，其围设在所述人工屏障结构体的外侧；

围岩层，其位于所述注浆层的外侧，所述围岩层具有围岩厚度。

在本实用新型的实施方式中，所述顶壁与所述地下硐室的底壁相连，所述底壁的所述钢筋混凝土层的外侧和所述周侧壁的所述钢筋混凝土层的外侧分别设有所述注浆层。

在本实用新型的实施方式中，所述粘土层包括粘土块内层和粘土粉外层，所述粘土块内层由多个粘土块拼接形成，所述粘土粉外层夹设在所述粘土块内层与所述钢筋混凝土层之间。

在本实用新型的实施方式中，所述粘土层由多个粘土块拼接形成。

在本实用新型的实施方式中，所述底壁的所述粘土块内层包括多个圆环体以及设置在所述多个圆环体中部的中间块体，所述圆环体由多个弧形块体拼接形成。

在本实用新型的实施方式中，所述底壁的所述粘土层包括多个圆环体以及设置在所述多个圆环体中部的中间块体，所述圆环体由多个弧形块体拼接形成。

在本实用新型的实施方式中，所述中间块体为正方形块体；或者，所述中间块体由两个梯形块体拼接组成。

在本实用新型的实施方式中，所述地下硐室距离地面的垂直距离不小于70m。

在本实用新型的实施方式中，所述耦合结构包括：

靶装置，其具有束流管及连接在所述束流管上的靶本体，所述束流管与所述离子束管相连；

顶盖，其密封连接在所述反应容器上，所述顶盖具有相互拼接的至少两个顶盖板，所述至少两个顶盖板之间形成有供所述束流管穿设的连接孔。

在本实用新型的实施方式中，所述顶盖具有插接结构，所述至少两个顶盖板通过所述插接结构相互拼接在一起。

在本实用新型的实施方式中，所述插接结构包括多个凸棱及多个凹槽，所述凸棱插入所述凹槽内，所述多个凸棱及所述多个凹槽设置在所述至少两个顶盖板相拼接的端面上。

在本实用新型的实施方式中，所述顶盖板为两个，所述顶盖板为半圆形，两个所述顶盖板对扣形成所述顶盖。

在本实用新型的实施方式中，所述束流管的外部套设有双层外管，所述双层外管具有真空腔。

在本实用新型的实施方式中，所述束流管的外部缠绕有冷却管，所述冷却管位于所述双层外管与所述束流管之间。

在本实用新型的实施方式中，所述冷却管的外部设有反射涂层。

在本实用新型的实施方式中，所述能量产生系统的外部罩设有安全壳，所述束流管通过固定钢板连接在所述安全壳上。

在本实用新型的实施方式中，所述靶本体插入所述能量产生系统的堆芯中。

在本实用新型的实施方式中，所述余热采集利用系统包括：

主发电系统余热采集利用回路，其具有与所述发电系统相连的第一换热器，所述第一换热器与第一热阱相连；

屏蔽结构余热采集利用回路，其具有依次相连的换热管、第二换热器和第二热阱，所述换热管设置在所述能量产生系统的外周侧。

在本实用新型的实施方式中，所述余热采集利用系统还包括：堆芯余热采集利用回路，其具有依次相连的冷却水箱、第三换热器和第三热阱，所述冷却水箱设置在所述能量产生系统的下部。

在本实用新型的实施方式中，所述能量产生系统放置在位于地下的防核素迁移屏障体内，所述防核素迁移屏障体具有容纳腔，所述发电系统具有依次相连的蒸汽发生器、汽轮机和发电机，所述蒸汽发生器与所述能量产生系统相连，其位于所述容纳腔的上部。

在本实用新型的实施方式中，所述换热管包括相连接的环向换热管和竖向换热管，所述竖向换热管位于所述容纳腔的周侧壁处，所述环向换热管埋设在所述防核素迁移屏障体中。

在本实用新型的实施方式中，所述竖向换热管具有相连接的竖向进水管和竖向出水管，所述环向换热管具有环向进水管和环向出水管，所述环向进水管与所述竖向进水管相连，所述环向出水管与所述竖向出水管相连。

在本实用新型的实施方式中，所述竖向出水管靠近所述防核素迁移屏障体设置，所述竖向进水管靠近所述能量产生系统设置。

在本实用新型的实施方式中，所述冷却水箱与所述第三换热器之间通过第一管路相连，所述第三换热器与所述第三热阱之间通过第二管路相连，所述第一管路上设有用于控制循环水速度的第一循环泵。

在本实用新型的实施方式中，所述换热管与所述第二换热器之间通过第三管路相连，所述第二换热器与所述第二热阱之间通过第四管路相连，所述第三管路上设有用于控制循环水速度的第二循环泵。

在本实用新型的实施方式中，所述蒸汽发生器和所述汽轮机之间通过第五管路相连，所述第一换热器连接在所述第五管路上，所述第一换热器与所述第一热阱之间通过第六管路相连。

在本实用新型的实施方式中，所述第一热阱、所述第二热阱和所述第三热阱分别连接有外部供热系统。

在本实用新型的实施方式中，所述中子源系统包括依次相连的离子源、加速器和所述离子束管。

本实用新型的地下中子能电站的特点及优点是：该地下中子能电站具有燃料利用高、废料少且放射性低、安全度高的优点，并且分布于地下，呈长条形布置，关键设备小型化，利于在全国进行分布式建设。该地下中子能电站的燃料率高，存在提供目前我国能源消耗量30％的可能，并且其发电成本亦较低。地下中子能电站的燃料比传统核电站易于获得，且可利用常规核电在的废料作为燃料，不存在燃料匮乏的缺陷。地下中子能电站设置于地下，且设置了防核素迁移屏障体，实现了地下中子能电站建设、运营、退役和废料处置的一体化设置，降低了整体建设投资。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的地下中子能电站的主视结构示意图。

图2为本实用新型的地下中子能电站的俯视结构示意图。

图3为本实用新型的耦合结构的结构示意图。

图4为本实用新型的顶盖的插接结构的示意图。

图5为本实用新型的顶盖的立体图。

图6为本实用新型的靶装置的结构图。

图7为本实用新型的防核素迁移屏障体的主视结构图。

图8为本实用新型的防核素迁移屏障体的俯视结构图。

图9为本实用新型的防核素迁移屏障体的粘土层的一实施例的结构示意图。

图10为本实用新型的防核素迁移屏障体的粘土层的另一实施例的结构示意图。

图11为本实用新型的防核素迁移屏障体的粘土层的底壁的一实施例的结构示意图。

图12为本实用新型的防核素迁移屏障体的粘土层的底壁的另一实施例的结构示意图。

图13为本实用新型的余热采集利用系统的结构示意图。

图14为本实用新型的余热采集利用系统的换热管的结构示意图。

图15为本实用新型的地下硐室的一实施例的纵截面示意图。

图16为本实用新型的地下硐室的另一实施例的纵截面示意图。

附图标号说明：1、中子源系统；11、离子束管；12、离子源；13、加速器；2、能量产生系统；21、反应容器；211、堆芯；3、余热采集利用系统；31、主发电系统余热采集利用回路；311、第一换热器；312、第六管路；3121、进水管；3122、出水管；32、屏蔽结构余热采集利用回路；321、换热管；3211、环向换热管；32111、环向进水管；32112、环向出水管；3212、竖向换热管；32121、竖向进水管；32122、竖向出水管；322、第二换热器；323、第三管路；3231、进水管；3232、出水管；3233、第二循环泵；324、第四管路；3241、出水管；3242、进水管；33、堆芯余热采集利用回路；331、冷却水箱；332、第三换热器；333、第一管路；3331、进水管；3332、出水管；3333、第一循环泵；334、第二管路；3341、进水管；3342、出水管；34、热阱；341、回路；4、发电系统；41、蒸汽发生器；42、汽轮机；43、发电机；44、第五管路；441、出水管；442、进水管；37、供热系统；5、耦合结构；51、靶装置；511、束流管；512、靶本体；513、双层外管；514、真空腔；515、冷却管；516、密封法兰；517、固定钢板；52、顶盖；521、顶盖板；522、连接孔；523、插接结构；5231、凸棱；5232、凹槽；53、安全壳；6、防核素迁移屏障体；61、人工屏障结构体；611、底壁；612、周侧壁；613、顶壁；614、容纳腔；615、铅粉混凝土层；616、粘土层；6161、粘土块内层；6161a、弧形块体；6161b、弧形块体；6161c、类弧形块体；6161d、梯形块体；6161d、正方形块体；6162、粘土粉外层；617、钢筋混凝土层；618、注浆层；62、围岩层；7、竖井结构；8、通风配电系统；81、电气配套装置；82、通风给水装置；9、燃料储存系统；10、地下硐室；101、主隧洞结构体；102、分支隧洞结构体；103、屏蔽门；104、底壁；105、中子能硐室；106、热电联供硐室。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1和图2所示，本实用新型提供一种地下中子能电站，所述地下中子能电站位于地下硐室10中，其包括：

中子源系统1，其位于所述地下硐室10的一端，所述中子源系统1具有用于发射离子的离子束管11；

能量产生系统2，其位于所述地下硐室10的下方，所述能量产生系统2具有放置堆芯211的反应容器21，所述反应容器21与所述离子束管11之间密封连接有耦合结构5；

发电系统4，其位于所述地下硐室10的另一端，所述发电系统4与所述能量产生系统2相连；

余热采集利用系统3，其位于所述地下硐室10的另一端，所述余热采集利用系统3分别与所述能量产生系统2、所述发电系统4相连。

具体是，地下硐室10具有主隧洞结构体101以及连接在主隧洞结构体101一端的至少一个分支隧洞结构体102，至少一个分支隧洞结构体102与主隧洞结构体101相连通。在主隧洞结构体101与分支隧洞结构体102的连接处设有竖井结构7，该竖井结构7分别与主隧洞结构体101和分支隧洞结构体102相连通，工人可通过该竖井结构7进入地下硐室10。该主隧洞结构体101为地下中子能电站的核心硐室，其大体呈长条状硐室结构，该主隧洞结构体101水平布置在地面以下，其距离地面的垂直距离H不小于70m，也即，该主隧洞结构体101的拱顶距离地面的垂直距离H不小于70m。在本实用新型中，如图15所示，该地下硐室10的主隧洞结构体101和分支隧洞结构体102的纵截面形状可为圆环形；或者，如图16所示，该地下硐室10的主隧洞结构体101和分支隧洞结构体102的纵截面形状可为马蹄形；当然，在其他的实施例中，该地下硐室10的主隧洞结构体101和分支隧洞结构体102的纵截面也可为其他形状，在此不做限制。该地下中子能电站放置在地下硐室10中，其整体位于地下70m以下，可有效隔绝地下中子能电站运营对人类居住环境的影响。

中子源系统1位于地下硐室10的主隧洞结构体101的一端，其包括依次相连的离子源12、加速器13和离子束管11。该中子源系统1用于为能量产生系统2提供离子束，在本实用新型中，该中子源系统1通过离子源12发射的单束或多束平行的离子束流，在加速器13的作用下被加速为高速离子束流，之后通过离子束管11输出，采用高速离子束流轰击靶，产生中子，可有效提高能源能量的释放率，在本实用新型中，该离子束流可为氘离子。该中子源系统1可采用中国专利申请号CN201710078364.5公开的气态靶中子源。在本实用新型中，该中子源系统1应在地下硐室10中保持一定的水平度。

能量产生系统2位于地下硐室10的下方，其具有放置堆芯211的反应容器21，该堆芯211采用铅或铅铋合金作为冷却剂，该冷却剂为包围在燃料周边的液/固体，由于采用铅或铅铋合金作为冷却剂，大大缩小了堆芯211的体积。

该反应容器21与中子源系统1的离子束管11之间通过耦合结构5密封相连。在本实用新型中，如图3所示，该耦合结构5连接在中子源系统1与能量产生系统2之间，该耦合结构5包括靶装置51和顶盖52，其中：靶装置51具有束流管511及连接在束流管511上的靶本体512，该束流管511与离子束管11相连；顶盖52密封连接在反应容器21上，该顶盖52具有相互拼接的至少两个顶盖板521，至少两个顶盖板521之间形成有供束流管511穿设的连接孔522。在本实用新型中，该靶本体512为氚靶。

自中子源系统1发出的离子束通过离子束管11以及束流管511后，轰击连接在束流管511端部的靶本体512而聚变形成中子，该中子与能量产生系统2中的堆芯211反应产生新的易裂变材料并实现裂变反应产生大量的能量。在离子束轰击靶本体512发生聚变反应产生中子的过程中，会产生大于300℃的高温热量。

该耦合结构5连接在中子源系统1与能量产生系统2之间，其结构紧凑，该耦合结构5的顶盖52能与靶装置51可拆卸地连接，当能量产生系统2需要进行开盖换料或者开盖维修等操作时，直接拆卸顶盖52即可，避免了靶装置51从能量产生系统2上的拆除操作，使得操作更简便，该耦合结构5能够有效保障与中子源系统1相连的靶装置51与能量产生系统2间的连接稳定性。

具体是，请配合参阅图6所示，该耦合结构5的靶装置51具有供离子束穿过的束流管511，靶本体512连接在束流管511的端部；在本实用新型中，在束流管511的外部套设有双层外管513，该双层外管513具有真空腔514，将真空腔514通过管路连接外部的抽真空设备，可一直维持真空腔514的高真空度环境，该真空腔514用于阻断隔离靶装置51外面的高温环境与靶本体512之间的热交换。

进一步的，在束流管511的外部还设有冷却管515，该冷却管515位于束流管511与双层外管513之间，在本实施例中，冷却管515以螺旋缠绕的方式连接在束流管511的外壁上，该冷却管515用于对束流管511进行冷却处理，例如该冷却管515内可通入冷却剂，通过冷却剂在冷却管515内的流动带走离子束轰击在靶本体512上产生的热量。在本实施例中，该冷却管515的外壁上设有反射涂层，该反射涂层用于将靶装置51外面的高温度环境产生的辐射热反射回去。当然，在其他的实施方式中，在束流管511的外部还可设有其他制冷结构，只要能实现带走离子束轰击在靶本体512上产生的热量即可，在此不做限制。

如图4和图5所示，耦合结构5的顶盖52由至少两个顶盖板521拼接组成，在本实施方式中，该顶盖52具有插接结构523，该至少两个顶盖板521通过插接结构523相互拼接在一起。

具体的，该插接结构523包括多个凸棱5231及多个凹槽5232，该凸棱5231插入凹槽5232内，多个凸棱5231及多个凹槽5232设置在至少两个顶盖板521相拼接的端面上。

在本实用新型的实施例中，该顶盖板521为两个，该顶盖板521为半圆形，两个顶盖板521对扣形成圆形的顶盖52。在两个顶盖板521对扣的拼接端面上分别设有多个凸棱5231和多个凹槽5232，当两个顶盖板521对扣在一起时，其中一个顶盖板521上的多个凸棱5231插入另一顶盖板521上的多个凹槽5232内，这样可以增强两个顶盖板521连接处的屏蔽作用。当然，在其他的实施方式中，顶盖52也可由三个顶盖板521、四个顶盖板521或更多个顶盖板521拼接组成，在此不做限制。本实用新型的顶盖52可通过吊装机械进行分离操作和组合安装，而不影响靶装置51。

该顶盖52的至少两个顶盖板521之间形成有供束流管511穿设的连接孔522，在本实施例中，套设在束流管511外部的双层外管513与连接孔522之间设有多个密封圈，通过多个密封圈实现靶装置51与顶盖52之间的机械静密封。

该顶盖52密封连接在能量产生系统2的反应容器21上，反应容器21内的堆芯211与反应容器21同心安装，在堆芯211中心预留一个空位，用于安装靶装置51的靶本体512，也即靶本体512插入堆芯211中。在本实施例中，靶装置51的靶本体512的外径尺寸小于堆芯211的一个燃料组件的尺寸，该靶本体512可以替换掉一个燃料组件，在一具体实施例中，靶本体512的外径尺寸不大于125mm，其安装在堆芯211的中心位置处。

在本实用新型中，该束流管511通过密封法兰516连接在顶盖52上。进一步的，该能量产生系统2的外部罩设有安全壳53，该安全壳53为圆形深顶盖，其由钢筋混凝土制成，该安全壳53与顶盖52、反应容器21和堆芯211同心安装，该束流管511通过固定钢板517垂直连接在安全壳53上。

该耦合结构5采用顶盖52分离式设计，在每次开盖操作时，针对地下中子能电站中子源系统1和能量产生系统2耦合的特殊性，能够避免对靶装置51的额外操作，只需要简单的进行顶盖52操作即可；另外，通过在靶装置51中增加真空腔514，并将靶装置51的整体结构设计为长筒型且靶本体512的外径小于堆芯211的一个燃料组件尺寸，可以使靶装置51工作在能量产生系统2运行时的高温度环境，使之能够与能量产生系统2耦合形成运行安全可靠、资源利用率高的中子源系统1。

根据本实用新型的一个实施方式，该地下硐室10的下方设有防核素迁移屏障体6，该能量产生系统2位于防核素迁移屏障体6内。

如图7和图8所示，该防核素迁移屏障体6包括：设置在地下硐室10下部的人工屏障结构体61，所述人工屏障结构体61具有底壁611、周侧壁612及顶壁613，所述底壁611、所述周侧壁612及所述顶壁613之间形成有容纳腔614，所述底壁611、所述周侧壁612及所述顶壁613均具有由内至外依次设置的铅粉混凝土层615、粘土层616和钢筋混凝土层617；注浆层618，其围设在所述人工屏障结构体61的外侧；也即，该注浆层618在人工屏障结构体61的外侧形成闭合。围岩层62，其位于所述注浆层618的外侧，所述围岩层62具有围岩厚度。

具体的，地下中子能电站的能量产生系统2放置于该人工屏障结构体61的容纳腔614中，在本实用新型中，该人工屏障结构体61可为圆柱体形、长方体形或多棱柱体形，当然，该人工屏障结构体61还可设计为其他结构形状，在此不做限制。

该人工屏障结构体61的底壁611、周侧壁612及顶壁613均具有由内至外依次设置的铅粉混凝土层615、粘土层616和钢筋混凝土层617。其中，在本实用新型中，为了能使人工屏障结构体61中的能量产生系统2与外界的能量或物质进行交换，可在顶壁613的周边设置铅粉混凝土层615，而顶壁613的中部可不设置铅粉混凝土层615，在此不做限制。该顶壁613与地下硐室10的底壁104相连。

进一步的，该人工屏障结构体61埋设在围岩层62中，在人工屏障结构体61与围岩层62之间设有注浆层618。具体是，该人工屏障结构体61的底壁611的钢筋混凝土层617的外侧和周侧壁612的钢筋混凝土层617的外侧均设有该注浆层618。

下面具体说明铅粉混凝土层615、粘土层616、钢筋混凝土层617和注浆层618的组成和结构：

该铅粉混凝土层615由C40或以上标号的混凝土参入铅粉制成，铅粉的参入比例根据能量产生系统的功率确定，但一般地铅粉的参入量不应超过胶凝材料的20％，避免其对混凝土强度和工作性能的影响。在本实施例中，该铅粉混凝土层615的厚度为50cm～100cm，该铅粉混凝土层615的厚度并不限于此，其厚度应随地下中子能电站设计功率的增大而适当增大。该铅粉混凝土层615中的铅粉的γ屏蔽性好，传热导性能好。该铅粉混凝土层615主要用于支撑地下中子能电站的能量产生系统2，且有效传递能量产生系统2的余热，同时还可以有效防止地下水的渗入，有效屏蔽剩余的射线和放射性元素。在其它的实施例中，该铅粉混凝土层615还可以由其他防辐射混凝土层进行替换，例如参入重劲砂的防辐射混凝土等，在此不做限制。

该粘土层616设置在铅粉混凝土层615的外侧，其选用的粘土应具有良好的热传导性能、良好的离子吸附性、以及一定的膨胀自封闭性等特点，例如该粘土层616选用的粘土为膨润土等。该粘土层616良好的导热性能可以有效保证能量产生系统余热的排除，其良好的离子吸附性可以有效阻碍放射性离子的向外迁移，其膨胀自封闭性可以阻止地下水的向内流动，从而确保了能量产生系统的运营安全并隔绝与外界的联系。在本实施例中，该粘土层616的厚度为30cm～40cm，其厚度应随地下中子能电站设计功率的增大而适当增大。

在粘土层616的一可行实施方式中，如图9所示，该粘土层616包括粘土块内层6161和粘土粉外层6162，该粘土块内层6161由多个粘土块拼接形成，该粘土粉外层6162夹设在粘土块内层6161与钢筋混凝土层617之间。在本实施例中，当该人工屏障结构体61的横截面为圆环形时，周侧壁612的粘土块内层6161的多个粘土块可为弧形块体，如图11所示，在底壁611的一可行实施例中，该底壁611的粘土块内层6161的多个粘土块包括多个弧形块体6161a、多个弧形块体6161b、多个类弧形块体6161c和正方形块体6161d，也即该底壁611可为从外至内依次设置的由多个弧形块体6161a拼接形成的圆环体、由多个弧形块体6161b拼接形成的圆环体、由多个类弧形块体6161c拼接形成的圆环体和设置在中部的正方形块体6161d拼接形成；或者，在底壁611的另一可行实施例中，如图12所示，该底壁611的粘土块内层6161的多个粘土块包括多个弧形块体6161a、多个弧形块体6161b、多个类弧形块体6161c和两个梯形块体6161d，也即该底壁611可为从外至内依次设置的由多个弧形块体6161a拼接形成的圆环体、由多个弧形块体6161b拼接形成的圆环体、由多个类弧形块体6161c拼接形成的圆环体和设置在中部的两个梯形块体6161d拼接形成；该人工屏障结构体61的横截面也可为其他形状，例如多边形或不规则多边形等，在此不做限制。同时，粘土层616的多个粘土块的形状亦随粘土层616的具体形状进行具体划分。

在该实施例中，在施工时，应先施工底壁611的粘土粉外层6162，然后拼装底壁611的粘土块内层6161，并结合拼装周侧壁612的粘土块内层6161后，在周侧壁612的粘土块内层6161与钢筋混凝土层617之间形成环形空间，最后用粘土粉回填该环形空间从而形成粘土粉外层6162。当有水分渗入粘土层616后，由于粘土的膨胀自封闭性，可以发生自我膨胀，进而填充粘土块内层6161中的两两相邻的粘土块之间的缝隙，并有效降低水分的渗透系数，阻碍地下水的渗入。该粘土层616具有良好的离子吸附能力，在有核素逃逸出能量产生系统时，可以有效地吸附在粘土层616内，防止其向外迁移。

在粘土层616的另一可行实施方式中，如图10所示，该粘土层616由多个粘土块拼接形成。在本实施例中，当该人工屏障结构体61的横截面为圆环形时，周侧壁612的粘土层616的多个粘土块可为弧形块体，如图11所示，在底壁611的一可行实施例中，该底壁611的粘土层616的多个粘土块包括多个弧形块体6161a、多个弧形块体6161b、多个类弧形块体6161c和正方形块体6161d，也即该底壁611可为从外至内依次设置的由多个弧形块体6161a拼接形成的圆环体、由多个弧形块体6161b拼接形成的圆环体、由多个类弧形块体6161c拼接形成的圆环体和设置在中部的正方形块体6161d拼接形成；或者，在底壁611的另一可行实施例中，如图12所示，该底壁611的粘土层616的多个粘土块包括多个弧形块体6161a、多个弧形块体6161b、多个类弧形块体6161c和两个梯形块体6161d，也即该底壁611可为从外至内依次设置的由多个弧形块体6161a拼接形成的圆环体、由多个弧形块体6161b拼接形成的圆环体、由多个类弧形块体6161c拼接形成的圆环体和设置在中部的两个梯形块体6161d拼接形成；该人工屏障结构体61的横截面也可为其他形状，例如多边形或不规则多边形等，在此不做限制。同时，粘土层616的多个粘土块的形状亦随粘土层616的具体形状进行具体划分。

该粘土层616由于粘土块拼装不可避免地存在块体间的缝隙，这些缝隙对整个屏障系统不利，为此，应优先采用粘土块内层6161和粘土粉外层6162的组合结构层。

该钢筋混凝土层617围设在粘土层616的外侧，其主要起到稳定围岩和防水的作用，该钢筋混凝土层617应由高性能混凝土构成，主要用于确保地下硐室10的稳定和安全，同时可以有效避免外界地下水的渗入。在本实施例中，该钢筋混凝土层617的厚度为50cm～70cm。该钢筋混凝土层617可参照一般地下硐室的钢筋混凝土层进行设计施工，一般地，在设计时，其应承担围岩所产生的所有荷载。另外，在地下中子能电站中，该钢筋混凝土层617采用标号为C35以上的混凝土制成。

该注浆层618设置在钢筋混凝土层617的外侧，其主要作用是降低围岩层62的渗透系数，提高围岩层62的密实性，并且应采用粘性矿物含量较高的浆液，提高围岩层62的离子吸附能力，注浆层618的另一个作用是在围岩体稳定不足时，提高围岩的稳定程度。该注浆层618应采用浆液在地下硐室10周边进行注浆，形成封闭的注浆体，用于进一步隔绝能量产生系统2内部的水分、核素与外界系统的传递。在本实施例中，该注浆层618的施工可在钢筋混凝土层617施工之前或之后。在围岩层62稳定较好的地方，应优先施工注浆层618，可在地下硐室10的下部周围均匀打设注浆管后，采用合适的注浆压力进行注浆，并有效控制注浆量；在围岩层62稳定性较差的地方，应优先施工钢筋混凝土层617，然后再地下硐室10的下方周围打设注浆管，进行注浆加固。该注浆层618应形成连续的屏蔽圈，其厚度可在20cm～50cm，施工后应采用物探或地质雷达等监测注浆层618的形成效果。

在本实用新型的一个实施方式中，位于该人工屏障结构体61外侧的围岩层62，应选择具有良好的热传导性能和离子吸附能力的围岩，例如软岩或页岩等，且该围岩层62的有效厚度不应小于70m，以用来吸附少量逸散出来的放射性离子，实现地下中子能电站对人类居住环境的完全隔离。该人工屏障结构体61距离地面的垂直距离不小于70m。

在具体施工时应从外向内施工，最后封顶。根据围岩层62的稳定性情况，分别施工注浆层618和钢筋混凝土层617，然后施工粘土层616和铅粉混凝土层615，之后将能量产生系统2放置在人工屏障结构体61的容纳腔614中，随后，调试能量产生系统2，完毕后依此施工人工屏障结构体61的顶壁613的铅粉混凝土层615、粘土层616以及钢筋混凝土层617，完成密封。

该防核素迁移屏障体6具有多级屏障结构，安全性高、实用性强，并且能够有效实现地下中子能电站与外界的能量交换，有效防止地下中子能电站全寿命过程中核素的扩散和迁移，可实现地下中子能电站与人类居住环境的有效隔离，保证地下中子能电站和人类居住环境的安全。

余热采集利用系统3位于地下硐室10的主隧洞结构体101的另一端，该余热采集利用系统3分别与能量产生系统2、发电系统4相连。如图13所示，该余热采集利用系统3包括：

主发电系统余热采集利用回路31，其具有与所述发电系统4相连的第一换热器311，所述第一换热器311与第一热阱相连，所述发电系统4与所述能量产生系统2相连；

屏蔽结构余热采集利用回路32，其具有依次相连的换热管321、第二换热器322和第二热阱，所述换热管321设置在所述能量产生系统2的外周侧。

依据地下中子能电站的运营状态，能量产生系统2的周围会存在大量的余热，同时经过发电系统4的蒸汽也将具有较高的能量，本实用新型的余热采集利用系统通过主发电系统余热采集利用回路31采集发电系统4产生的余热，并通过屏蔽结构余热采集利用回路32采集能量产生系统2产生的余热，从而高效利用了地下中子能电站的能源，并对地下中子能电站的安全运行提供保障。

进一步的，该余热采集利用系统还包括堆芯余热采集利用回路33，其具有依次相连的冷却水箱331、第三换热器332和第三热阱，该冷却水箱331设置在能量产生系统2的下部。该堆芯余热采集利用回路33也可用于采集能量产生系统2产生的余热。

由此可知，依据地下中子能电站的运营状态，在一可行的实施例中，该余热采集利用系统可选择开启主发电系统余热采集利用回路31和屏蔽结构余热采集利用回路32，以便采集地下中子能电站运营过程中的余热；在另一可行的实施例中，该余热采集利用系统可选择开启堆芯余热采集利用回路33、屏蔽结构余热采集利用回路32和主发电系统余热采集利用回路31，以便更加全面地采集地下中子能电站运营过程中的余热。

该用于地下中子能电站的余热采集利用系统的三个余热采集利用回路，也即，堆芯余热采集利用回路33、屏蔽结构余热采集利用回路32和主发电系统余热采集利用回路31，相互独立且互不干扰，增加了本实用新型的余热采集利用的效率。

地下中子能电站的能量产生系统2是地下中子能电站的核心，是能量产生的具体单位，该能量产生系统2的堆芯211是燃料反应的主要场所，将产生较高的能量，该能量产生系统2放置在位于地下的防核素迁移屏障体6内，该防核素迁移屏障体6具有容纳腔614，该能量产生系统2位于容纳腔614中。发电系统4具有依次相连的蒸汽发生器41、汽轮机42和发电机43，该蒸汽发生器41与能量产生系统2相连，其位于容纳腔614的上部，该发电系统4用于将能量产生系统2释放的能量转换为电能。

下面具体描述用于地下中子能电站的余热采集利用系统的三个余热采集利用回路的结构：

该主发电系统余热采集利用回路31主要采集发电系统4的剩余高温蒸汽，以便再利用，其具有与发电系统4相连的第一换热器311，该第一换热器311与第一热阱相连。其中，发电系统4的蒸汽发生器41和汽轮机42之间通过第五管路44相连，该第一换热器311连接在第五管路44上，也即，该蒸汽发生器41、汽轮机42和第一换热器311之间通过第五管路44首尾相连；该第一换热器311和第一热阱之间通过第六管路312相连。

在本实用新型中，发电系统4通过蒸汽发生器41实现与能量产生系统2的连接，该蒸汽发生器41位于容纳腔614的上部，该蒸汽发生器41通过内置管路实现与能量产生系统2的堆芯211中的铅或铅铋合金进行热交换，并产生高温高压蒸汽，该高温高压蒸汽首先通过第五管路44的出水管441推动汽轮机42转动，进而使发电机43产生电能，并实现与外界的传递，经过汽轮机42的蒸汽仍具有较高的温度，其会通过第一换热器311实现与第一热阱的热交换，然后变为冷凝水，再经过第五管路44的进水管442回流到蒸汽发生器41。在本实用新型的一实施例中，可根据需要，在第一换热器311与第一热阱的第六管路312上设置加速泵，来加速回路中的循环。经第一换热器311加热后的第六管路312中的高温水，经第六管路312的进水管3121与第一热阱发生热交换，将能量聚集在第一热阱中，热交换以后的冷却水通过第六管路312的出水管3122继续流回第一换热器311处进行循环使用。

该屏蔽结构余热采集利用回路32主要采集能量产生系统2的余热，其由两个回路串联组成，两个回路通过第二换热器322实现回路间的热交换。其中，第一个回路由换热管321、第三管路323和第二换热器322组成，换热管321与第二换热器322之间通过第三管路323相连，该第三管路323上设有第二循环泵3233，该第二循环泵3233用于控制第一个回路中循环水的速度，实现对余热采集的控制；第二个回路由第二换热器322、第四管路324和第二热阱组成，该第二换热器322与第二热阱之间通过第四管路324相连。在本实用新型中，该能量产生系统2的余热通过换热管321实现采集，并通过第三管路323的出水管3232经第二换热器322实现与第二个回路的热交换，之后冷却水通过第三管路323的进水管3231流回换热管321循环利用，实现第一个回路的闭合。经第二换热器322加热后的第二个回路中的高温水，经第四管路324的进水管3242与第二热阱发生热交换，将能量聚集在第二热阱中，热交换以后的冷却水通过第四管路324的出水管3241继续流回第二换热器322处进行循环使用。

在本实施例中，如图14所示，换热管321包括相连接的环向换热管3211和竖向换热管3212，该竖向换热管3212位于容纳腔614的周侧壁处，该环向换热管3211埋设在防核素迁移屏障体6中。具体的，该竖向换热管3212具有相连接的竖向进水管32121和竖向出水管32122，该环向换热管3211具有环向进水管32111和环向出水管32112，该环向进水管32111与竖向进水管32121相连，该环向出水管32112与竖向出水管32122相连。其中，竖向出水管32122靠近防核素迁移屏障体6设置，该竖向进水管32121靠近能量产生系统2设置。在本实用新型中，该竖向换热管3212绕能量产生系统2的外周环形均匀布置，这样可以增加竖向换热管3212的换热面积，以最大程度地将能量产生系统2的余热带走，该环向换热管3211在防核素迁移屏障体6的铅粉混凝土层中沿环向布置，根据换热需要，该环向换热管3211的环向进水管32111和环向出水管32112可均竖向布置一环或多环，在此不做限制。该环向换热管3211的环向进水管32111和环向出水管32112分别通过第三管路323的进水管3231和出水管3232与第二换热器322连接。

该堆芯余热采集利用回路33主要采集能量产生系统2的余热，其由两个回路串联组成，两个回路通过第三换热器332实现回路间的热交换。其中，第一个回路主要由设置在能量产生系统2下部的冷却水箱331、第一管路333和第三换热器332组成，冷却水箱331与第三换热器332之间通过第一管路333相连，该第一管路333上设有第一循环泵3333，该第一循环泵3333用于控制第一个回路中循环水的速度，实现对能量产生系统2的余热采集的控制；第二个回路主要由第三换热器332、第二管路334和第三热阱组成，该第三换热器332与第三热阱之间通过第二管路334相连。在本实用新型中，冷却水箱331位于防核素迁移屏障体6的容纳腔614下部，该第一个回路中的冷却水首先通过第一管路333的进水管3331流经能量产生系统2的下部，在冷却水箱331处实现与能量产生系统2的堆芯211的热交换，之后通过第一管路333的出水管3332流回第三换热器332实现与第二个回路的热交换，并变为温度较低的冷却水后通过进水管3331回流到冷却水箱331。经第三换热器332加热后第二个回路中的高温水，经第二管路334的进水管3341与第三热阱发生热交换，将能量聚集在第三热阱中，热交换以后的冷却水通过第二管路334的出水管3342继续流回第三换热器332处进行循环使用。由于冷却水箱331当中的冷却水自身形成第一个回路，该第一个回路不与第三热阱所在的第二个回路发生水交换，因此能避免高放物质的流出，阻止核泄漏。在紧急情况下，可以启动第一个回路中的第一循环泵3333，加速冷却水箱331与第三换热器332的水流速率，提高换热效率，加强堆芯211衰变热的导出能力，防止堆芯211过热融化。

在本实用新型中，该第一热阱、第二热阱和第三热阱可分别连接有外部供热系统37。该第一热阱、第二热阱和第三热阱通过各余热采集利用回路实现余热的再利用，其通过各回路与外界需要热能的供热系统37进行热交换，经交换后的冷却水回流到第一热阱、第二热阱和第三热阱中，实现循环利用。该第一热阱、第二热阱和第三热阱潜在的供热对象，也即该供热系统37，可包括建筑物的地暖系统、冬季供暖系统或游泳池等市政实施等。

本实用新型的用于地下中子能电站的余热采集利用系统采用了三个余热采集利用回路的方式，分别实现堆芯余热、屏障结构余热和主发电系统余热的采集和再利用，具有余热利用面广，潜在利用方式多等优点，有效地提高了地下中子能电站的能源利用效率，较好地解决了70％余热的再利用问题。另外，堆芯余热采集利用回路33和屏蔽结构余热采集利用回路32能有效导出堆芯211余热和堆芯211衰变热，防止堆芯211过热产生的融堆现象，有利于地下中子能电站的安全。用于地下中子能电站的余热采集利用系统采用多回路串联的方式进行余热采集、余热传递和余热利用，可以有效规避放射性元素通过供热的水回路向外界传递。

在本实用新型的一实施方式中，根据地质条件和岩层状况，可对三个余热采集利用回路进行不同的空间布置；另外，三个余热采集利用回路可以共用一个热阱，也即，第一热阱、第二热阱和第三热阱均为同一个热阱34，在该实施例中，热阱34通过回路341与外界需要热能的供热系统37进行热交换，该热阱34是三个余热采集利用回路的聚集处，便于建设和技术管理，降低了整体投资。或者，本实用新型也可采用上述实施例中所述的第一热阱、第二热阱和第三热阱分开设置的形式，在此不做限制。根据当地实际情况，采集的余热可以用于不同的用途。

另外，本实用新型的地下中子能电站还具有通风配电系统8，该通风配电系统8安放在地下硐室10的其中一个分支隧洞结构体102中，该通风配电系统8包括电气配套装置81和通风给排水装置82，其均为现有成熟技术，在此不做具体描述；该地下中子能电站还具有燃料储存系统9，该燃料储存系统9放置在地下硐室10的另一个分支隧洞结构体102中。其中，在本实用新型中，放置有燃料储存系统9的分支隧洞结构体102内还设有屏蔽门103，该屏蔽门103用于封闭该分支隧洞，以实现燃料储存系统9与外部的隔离。

本实用新型的地下中子能电站，其中子源系统1、能量产生系统2、余热采集利用系统3和发电系统4呈长条形布置在地下硐室10中，一方面，缩小了地下硐室10的开挖跨度，降低建设成本，另一方面，方便地下中子能电站分区块管理。另外，在主隧洞结构体101内设有屏蔽门103，该主隧洞结构体101通过该屏蔽门103被分割为中子能硐室105和热电联供硐室106。其中，中子能硐室105内用于放置地下中子能电站的中子源系统1和能量产生系统2；热电联供硐室106内用于放置地下中子能电站的余热采集利用系统3和发电系统4。该屏蔽门103可实现中子射线和核素与外部的隔离。

本实用新型的地下中子能电站具有燃料利用高、废料少且放射性低、安全度高的优点，并且分布于地下，呈长条化布置，其关键设备小型化，利于在全国进行分布式建设，实现我国功能的安全。由于地下中子能电站的燃料率极高，存在提供目前我国能源消耗量30％的可能，并且其发电成本亦较低。因此，它是优化我国能源结构，治理环境问题的重要途径之一。地下中子能电站的燃料比传统核电站易于获得，且可利用常规核电在的废料作为燃料，不存在燃料匮乏的缺陷。地下中子能电站设置与地下，且设置了多圈层的防核素迁移屏障体，实现了地下中子能电站建设、运营、退役和废料处置的一体化设置，降低了整体建设投资。

以上所述仅为本实用新型的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本实用新型实施例进行各种改动或变型而不脱离本实用新型的精神和范围。