封装球的制作方法

本公开涉及一种封装球、制造该封装球的方法、增殖再生区模块、包括所述封装球和/或增殖再生区的聚变反应堆以及其应用。

背景技术：

1、燃料球在核聚变和核裂变过程中都是众所周知的。在核裂变过程中，燃料球通常包括不透水的热解炭外壳，每个外壳内含有大量的燃料颗粒，如triso颗粒。

2、球床也被提议用于聚变反应堆，特别是作为增殖再生区的一部分。在聚变反应堆中，增殖再生区包围产生等离子体的堆芯，通过吸收等离子体产生的中子来提供中子屏蔽作用，提取热能用于发电并增殖氚，这是实现聚变反应自给自足原则所必需的。

3、现有的再生区可以分为两类：液体(熔融燃料)再生区和固体燃料再生区。液体再生区在高温下因腐蚀而存在热工水力学和材料兼容性问题，而固体再生区则存在与例如氚提取相关的问题。

技术实现思路

1、如上所述，现有的用于聚变过程的再生区存在一些限制。因此，有必要提供一种改进措施以解决这些限制。

2、因此，根据第一方面，提供一种封装球，包括：

3、燃料芯体；和

4、封装该芯体的笼体，其中笼体包括至少一条通过该笼体的气体传输通道。

5、封装燃料芯体的笼体提供结构支撑，并保护芯体免受冲击，同时仍允许气体离开封装球。

6、根据第二个方面，提供一种形成封装球的方法，包括：

7、将芯体封装在笼体中，其中笼体具有至少一条通过该笼体的气体传输通道。

8、根据第三个方面，提供一种用于聚变反应堆的增殖再生区模块，包括：

9、串联和/或并联连接的多个球床；和

10、位于每个球床中的多个封装球。

11、通过将多个球床串联和/或并联连接，可以实现更有效的冷却和氚提取过程。

12、根据第四个方面，提供一种操作第三个方面中的增殖再生区模块的方法，包括：

13、向所述增殖再生区模块提供冷却气体流；

14、使冷却气体从所述增殖再生区模块中提取热量和氚，生成富含氚的受热气体；

15、从所述增殖再生区模块中移除所述受热气体；以及

16、从该受热气体中提取氚。

17、根据第五个方面，提供一种聚变反应堆，包括至少一个根据第一方面的封装球和/或至少一个根据第三方面的增殖再生区模块。

18、第一方面的封装球和第三方面的增殖再生区模块的使用构成了本公开的其他方面。

19、根据上述各个方面，解决了现有技术的局限性。特别是，通过将冷却、结构支撑和封装功能分离到封装球的不同组成部分中。增殖再生区模块还具有较低质量的结构材料。因此，提供了改进的封装球、增殖再生区模块及其应用。

20、这些及其他方面将在下文描述的实施方式中变得明显并得以阐明。

技术特征：

1.一种封装球，包括：

2.如权利要求1所述的封装球，其中所述笼体包含多条气体传输通道。

3.如权利要求1或2所述的封装球，还包括：

4.如权利要求3所述的封装球，其中所述陶瓷壳体和/或陶瓷插件包括透气性陶瓷。

5.如权利要求4所述的封装球，其中所述透气性陶瓷包括透气性二氧化硅、透气性石墨或透气性碳化硅。

6.如权利要求4或5所述的封装球，其中所述透气性陶瓷包括多孔陶瓷，其孔半径小于0.25μm。

7.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述笼体的内径大于所述燃料芯体的外径。

8.如权利要求3至7中任意一项所述的封装球，其中所述笼体的内径大于所述陶瓷壳体的外径。

9.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述燃料芯体包括增殖材料，例如能够产生氚的增殖材料。

10.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述燃料芯体包括熔融盐，其在核反应堆约300℃的工作温度以上时为液态。

11.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述燃料芯体包括锂盐，例如li2.bef4。

12.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述燃料芯体还包括氧化还原控制材料，例如金属铍。

13.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中在封装的燃料球中设置有气穴。

14.如权利要求13所述的封装球，其中所述笼体内容纳有陶瓷壳体，所述气穴设置在该陶瓷壳体中。

15.如权利要求13或14所述的封装球，其中在所述气穴中提供有冷却气体，例如氮气或氦气。

16.如前述权利要求中任意一项所述的封装球，其中所述笼体为金属笼体，例如包含诸如钢的金属合金的金属笼体。

17.如权利要求16所述的封装球，其中所述金属合金包括低活化铁素体马氏体钢。

18.如权利要求1至17中任意一项所述的封装球，其中所述笼体为球形或圆柱形。

19.一种形成封装球的方法，包括：

20.如权利要求19所述的方法，包括：

21.如权利要求19所述的方法，包括：

22.如权利要求19至21中任意一项所述的方法，包括：

23.如权利要求22所述的方法，其中形成至少一条气体传输通道包括：对所述笼体进行激光钻孔，以形成所述至少一条气体传输通道。

24.如权利要求22所述的方法，其中形成至少一条气体传输通道包括：在形成所述笼体的烧结过程中控制该笼体的多孔性。

25.如权利要求19至24中任意一项所述的方法，包括：

26.如权利要求19至25中任意一项所述的方法，其中所述封装球为权利要求1至20中任意一项所述的封装球。

27.一种用于聚变反应堆的增殖再生区模块，包括：

28.如权利要求27所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床中的每一个球床经由进气歧管和出气歧管与进气口和出气口分别流体连通。

29.如权利要求27或28所述的增殖再生区模块，其中每个球床为长形床，其具有第一端和第二端，并且进气歧管配置成与所述第一端接合，出气歧管配置成与第二端接合。

30.如权利要求27至29中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床中每一个球床设置在至少两个球床组之一组中。

31.如权利要求30所述的增殖再生区模块，其中，所述至少两个球床组中的第一组限定了从进气口通过所述第一组的至少一个球床到达出气口的第一气体流通路径，所述至少两个球床组中的第二组限定了从所述进气口通过所述第二组的至少一个球床到达所述出气口的第二气体流通路径。

32.如权利要求31所述的增殖再生区模块，其中所述第一气体流通路径与第二气体流通路径自所述进气口至所述出气口并联连接。

33.如权利要求30至32中任意一项所述的增殖再生区模块，其中每一个球床组中的每一个球床与同一球床组中的至少一个其他球床串联连接。

34.如权利要求27至33中任意一项所述的增殖再生区模块，其中在相邻球床之间的空隙中设有中子倍增材料，例如硫化铅。

35.如权利要求27至34中任意一项所述的增殖再生区模块，还包括中子反射板，其包含中子反射材料，例如碳化钨。

36.如权利要求27至35中任意一项所述的增殖再生区模块，其中该增殖再生区模块配置成与聚变反应堆的第一壁部件接合。

37.如权利要求27至36中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床形成蜂窝状结构。

38.如权利要求37所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床中每一个球床与相邻球床共用至少一个壁。

39.如权利要求27至38中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述增殖再生区模块布置成：在使用中，在聚变反应堆中，球床沿极向方向取向。

40.如权利要求27至39中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述多个封装球中至少一个封装球为权利要求1至20中任意一项所述的封装球。

41.如权利要求40所述的增殖再生区模块，其中至少两个封装球包含具有相同组成的燃料芯体，或者至少两个封装球包含具有不同组成的燃料芯体。

42.如权利要求41所述的增殖再生区模块，其中至少两个封装球包含li2.bef4芯体，或者，至少一个封装的燃料球包含li2.bef4并且至少一个封装的燃料球包含不同于li2.bef4的芯体。

43.如权利要求27至41中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床包含低活化铁素体马氏体钢壁。

44.如权利要求27至41中任意一项所述的增殖再生区模块，其中所述多个球床设有氚渗透屏障涂层，例如氧化铬(cr2o3)或氧化铝(al2o3)涂层。

45.一种操作权利要求27至44中任意一项所述的增殖再生区模块的方法，包括：

46.如权利要求45所述的方法，其中增殖再生区设置在聚变反应堆中，并被封装球中的氚增殖反应和/或堆芯中的等离子体加热。

47.如权利要求45或46所述的方法，其中所述冷却气体包括从氮气、氦气和二氧化碳中选取的一种或多种冷却气体。

48.一种聚变反应堆，包括根据权利要求1至20中任意一项所述的封装球和/或根据权利要求27至44中任意一项所述的增殖再生区模块。

49.根据权利要求1至20中任意一项所述的封装球在聚变反应堆或裂变反应堆中的应用。

50.根据权利要求27至44中任意一项所述的增殖再生区模块在聚变反应堆中的应用。

技术总结
本文提供了一种封装球，包括：燃料芯体；以及封装燃料芯体的笼体，其中笼体包含至少一条通过该笼体的气体传输通道。本文还提供了一种制作封装球的方法、用于聚变反应堆的增殖再生区模块、聚变反应堆以及相关的方法和用途。

技术研发人员：弗朗西斯科·约瑟·卡尔沃·普拉扎,豪尔赫·弗拉德拉·费尔南德斯,塞尔吉奥·萨达巴·奇普里安,萨缪尔·哈
受保护的技术使用者：英国原子能管理局
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15