一种聚变堆固态锂铅包层

1.本发明属于聚变堆包层领域，具体涉及一种聚变堆固态锂铅包层。

背景技术：

2.包层是聚变堆的核心部件，运行在高温高压、高热负荷及强中子辐照的苛刻服役环境下，主要功能是增殖氚维持聚变反应、将聚变能转换为热能发电以及屏蔽中子防止污染环境。根据功能材料(中子倍增剂和氚增殖剂)的形态，可将其分为液态增殖包层和固态增殖包层。液态增殖剂包层多采用流动的锂铅合金作为中子倍增剂和氚增殖剂，具有结构简单、可实现在线提氚及发电效率高等众多优势，但存在明显的磁流体效应(mhd)，导电流体在磁场中切割磁场会使压降明显增大，从而降低发电效率。此外，高温锂铅对结构材料具有腐蚀性，难以长期运行。为此，国内外部分聚变机构将固态增殖剂包层作为主要研究方向，如德国卡尔斯鲁厄理工学院(kit)、日本量子科学技术研究所(qst)、中核西南物理研究院(swip)和中科院等离子体物理研究所(asipp)，固态增殖剂包层多采用含锂元素的陶瓷材料作为氚增殖剂(比如：li4sio4或li2tio3)，含铍元素的合金作为中子倍增剂(比如：be单质或be
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ti)，具有结构与材料相容性好、不存在mhd效应以及发电技术成熟等优势。
3.然而，当前固态增殖剂包层发展遇到“瓶颈”，在于其采用铍作为中子倍增剂，由于自然界铍资源有限，价格昂贵，使其在经济性方面不具备竞争优势。为此，国外聚变机构开始研究如何减少铍的用量或者寻可用在固态增殖剂包层中新的中子增殖剂。英国谢菲尔德大学(tuos)针对中子倍增剂和氚增殖剂均匀混合的固态氚增殖包层设计，将中子倍增剂的体积份额沿包层径向线性增加或线性减少，据此适应中子学特性沿包层径向的变化，包括中子通量、能量、以及中子与材料的反应截面，包层产氚性能未受到影响，但铍用量只减少10％，难以满足聚变堆包层经济性要求。在新材料方面，目前研究表明聚变领域可用于倍增中子的元素有铍和铅，但铅单质的熔点低，在固态增殖剂包层中受到高能中子的核热沉积作用，易熔化处于液态。液态铅会通过结构部件之间的缝隙渗入冷却剂流道，堵塞流道并阻碍冷却剂流动，使冷却能力丧失，造成局部材料温度和驱动功率负荷超标，严重影响聚变堆包层的热工安全性能和热电转换效率。因此，该设计对结构部件的密封性要求高，但会增加工业设备的制造成本，降低聚变堆经济性。为此，德国卡尔斯鲁厄理工学院(kit)将镧系元素与铅合成化合物，以此提高中子倍增剂的熔点。与铍比较起来，镧系元素的价格较低，但其属于稀土元素，资源仍有限，由于未来聚变堆的材料用量大，使用该材料作为中子倍增剂的成本仍较高。此外，在中子倍增剂中引入镧系元素，会增加对中子的吸收量，从而降低包层的产氚性能。因此，为满足中子学要求，需要增加中子倍增剂材料的用量，会使包层体积增大，从而进一步提高建设成本，降低聚变堆经济性。

技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种聚变堆固态锂铅包层，其为一种聚变堆固态锂铅产氚包层，采用固态锂铅作为中子倍增剂，价格低廉，并且可满足聚变堆产氚要求，
以解决现有固态增殖剂包层采用铍作为中子倍增剂面临成本高，经济性低的问题，该包层有望作为主流的固态增殖剂包层，贡献未来聚变堆包层概念和工程设计。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
6.一种聚变堆固态锂铅包层，包括固态锂铅、冷却剂和结构材料；采用高熔点的所述固态锂铅合金作为中子倍增剂和氚增殖剂；在包层正常运行和事故工况下，所述固态锂铅始终保持固态不融化状态，并且其置于多个所述结构材料构成的结构骨架内；所述固态锂铅合金与聚变中子作用产生的核热沉积依靠结构骨架内部流动的冷却剂移出发电，气体吹扫球床将氚带出堆外实现氚自持。
7.进一步地，所述固态锂铅通过中子物理与热工水力学耦合迭代确定最佳的铅原子比。
8.进一步地，所述固态锂铅以球床形式存在，采用不同尺寸的二元球床或单一尺寸球床。
9.进一步地，所述冷却剂根据聚变堆运行条件采用水、氦气或超临界二氧化碳，进而形成水冷固态锂铅包层、氦冷固态锂铅包层或超临界二氧化碳冷却固态锂铅包层。
10.进一步地，所述聚变堆运行条件包括第一壁面向等离子体热流、风机驱动功率以及冷却剂与锂铅反应率。
11.进一步地，所述结构材料根据冷却剂的载热能力不同，对应使用温度上限不同的低活化马氏体钢或氧化物弥散强化铁素体钢。
12.进一步地，多个所述结构材料间隔设置，所述固态锂铅填充在间隔内。
13.进一步地，还包括钨铠甲，所述钨铠甲覆盖包层前区的结构材料，避免等离子体溅射和腐蚀。
14.本发明提出了一种新型的聚变堆固态增殖包层，其采用锂铅合金同时作为中子倍增剂和氚增殖剂，通过中子物理与热工迭代优化，获得较优的锂/铅原子比。在该比例下，锂铅合金的熔点高，在聚变中子核热沉积与结构部件冷却效应的双重作用下，始终处于固态，并且能够满足中子学、热工水力学以及结构力学等多物理场要求。此外，由于锂铅材料在自然界的资源充足，价格便宜，可降低包层的研发成本，提高聚变堆的经济性。
15.本发明与现有聚变堆固态增殖包层相比，其有益效果是：
16.1.当前聚变堆固态增殖包层多采用铍作为中子倍增剂，由于自然界资源有限，价格昂贵，使固态增殖包层研发成本极高，难以实现聚变能规模化商业应用。本发明采用锂铅合金作为中子倍增剂和氚增殖剂，在包层正常运行和事故运行工况下，始终处于固态，不需要铍也可满足氚增殖要求，由于自然界的锂铅合金资源丰富，成本低，可降低包层研发成本，提高聚变堆采用固态增殖包层发电的经济性。
17.2.本发明采用单一材料锂铅合金同时作为中子倍增剂和氚增殖剂，避免使用两种材料分别作为中子倍增剂和氚增殖剂，可减少加工工艺流程，降低材料制造成本。此外，单一材料在包层内的结构布置和冷却系统设计较为简单，一方面，在包层概念设计初始阶段可快速准确获得包层最优设计，提高工作效率；另一方面，可降低冷却剂压降，提高热电转换效率。
附图说明
18.图1为本发明的聚变堆固态锂铅包层概念设计图；
19.图2为本发明的聚变堆固态锂铅包层结构布置图；
20.图3为本发明的聚变堆固态锂铅包层优化设计图。
21.图中：1.一元或二元球床；2.固态锂铅；3.中子倍增剂和氚增殖剂；4.气体吹扫球床；5.冷却工质；6.冷却剂；7.低活化马氏体钢或氧化物弥散强化铁素体钢；8.结构材料；9.钨铠甲；10.聚变堆固态锂铅包层。
具体实施方式
22.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
23.如图1所示，本发明的聚变堆固态锂铅包层10包括固态锂铅2、冷却剂6、结构材料8以及钨铠甲9。根据聚变堆运行条件，如第一壁面向等离子体热流，风机驱动功率以及冷却剂与锂铅合金反应率等要求，采用水、氦气或超临界co2等冷却工质5作为冷却剂6，进而形成水冷固态锂铅包层、氦冷固态锂铅包层或超临界二氧化碳冷却固态锂铅包层等。根据冷却剂6的载热能力不同，对应使用温度上限不同的低活化马氏体钢或氧化物弥散强化铁素体钢7作为结构材料8，钨铠甲9置于包层前区的结构材料8的表面，防止等离子体溅射和腐蚀；所述聚变堆固态锂铅包层10采用固态锂铅2作为中子倍增剂和氚增殖剂3，在包层正常运行和事故工况下，固态锂铅2始终不融化，并将其置于由结构材料8构成的结构骨架内，锂铅与聚变中子作用产生的核热沉积依靠结构骨架内的冷却剂6移出发电。
24.所述固态锂铅2以球床形式存在，可采用一元或二元球床1，并通过气体吹扫球床4将氚带出循环。二元球床设计可提高填充率，进而增加氚增殖率；一元球床可降低吹扫气的压降，提高经济性。
25.如图2所示，第一固态锂铅2-1、第二固态锂铅2-2、第三固态锂铅2-3、第四固态锂铅2-4在包层正常运行和事故工况下，始终保持固态不融化状态，置于由第一结构材料8-1、第二结构材料8-2、第三结构材料8-3、第四结构材料8-4、第五结构材料8-5间隔构成的结构骨架内。每个固态锂铅设置在相邻的结构材料之间。钨铠甲9覆盖包层前区的第一结构材料8-1，避免等离子体溅射和腐蚀。锂铅与聚变中子作用产生的核热沉积依靠第一结构材料8-1、第二结构材料8-2、第三结构材料8-3、第四结构材料8-4、第五结构材料8-5内部流动的冷却剂6移出发电，氚通过第一气体吹扫球床4-1、第二气体吹扫球床4-2、第三气体吹扫球床4-3、第四气体吹扫球床4-4带到堆外实现循环自持。
26.如图3所示，本发明的聚变堆固态锂铅包层采用的固态锂铅合金的熔点较高，不同锂/铅原子比下的特性有所差异，确定最佳原子比采用如下流程：
27.首先，基于包层设计运行工况、冷却剂和增殖材料的热物性参数，先假定锂铅原子比，并且制定包层初始设计方案；
28.进一步地，开展中子学迭代优化分析，并通过调整包层方案使核性能满足要求，获得包层的核热沉积分布，作为热工水力学分析的源项；
29.进一步地，开展热工水力学分析，获得锂铅合金在聚变堆极向上各个包层模块，以及径向上不同增殖区中的温度最大值；
30.进一步地，基于锂铅二元共晶相图，筛选熔点高于上述温度最大值的原子比组合，据此获得符合要求的锂/铅原子比区间；
31.进一步地，在锂/铅原子比区间内，开展中子学分析，校核是否满足产氚要求，并选择产氚性能最优的原子比作为中子倍增剂和氚增殖剂；
32.最后，若新的原子比和假定原子比有较大误差，则更新原子比，重新开始迭代计算，直到收敛。
33.本发明未详细陈述的部分，属于本领域公知技术。尽管以上内容对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求和本发明确定的精神和范围内，这些变化是显而易见的，均在本发明保护之列。

技术特征：

1.一种聚变堆固态锂铅包层，其特征在于：包括固态锂铅、冷却剂和结构材料；采用高熔点的所述固态锂铅合金作为中子倍增剂和氚增殖剂；在包层正常运行和事故工况下，所述固态锂铅始终保持固态不融化状态，并且其置于多个所述结构材料构成的结构骨架内；所述固态锂铅合金与聚变中子作用产生的核热沉积依靠结构骨架内部流动的冷却剂移出发电，气体吹扫球床将氚带出堆外实现氚自持。2.根据权利要求1所述的一种聚变堆固态锂铅包层，其特征在于：所述固态锂铅通过中子物理与热工水力学耦合迭代确定最佳的铅原子比。3.根据权利要求1所述的一种聚变堆固态锂铅包层，其特征在于：所述固态锂铅以球床形式存在，采用不同尺寸的二元球床或单一尺寸球床。4.根据权利要求1所述的一种聚变堆固态锂铅包层，其特征在于：所述冷却剂根据聚变堆运行条件采用水、氦气或超临界二氧化碳，进而形成水冷固态锂铅包层、氦冷固态锂铅包层或超临界二氧化碳冷却固态锂铅包层。5.根据权利要求4所述的一种聚变堆固态锂铅包层，其特征在于：所述聚变堆运行条件包括第一壁面向等离子体热流、风机驱动功率以及冷却剂与锂铅反应率。6.根据权利要求1所述的一种聚变堆固态锂铅包层，其特征在于：所述结构材料根据冷却剂的载热能力不同，对应使用温度上限不同的低活化马氏体钢或氧化物弥散强化铁素体钢。7.根据权利要求6所述的一种聚变堆固态锂铅包层，其特征在于：多个所述结构材料间隔设置，所述固态锂铅填充在间隔内。8.根据权利要求1所述的一种聚变堆固态锂铅包层，其特征在于：还包括钨铠甲，所述钨铠甲覆盖包层前区的结构材料，避免等离子体溅射和腐蚀。

技术总结

本发明公开了一种聚变堆固态锂铅包层，采用一种新材料固态锂铅合金作为中子倍增剂和氚增殖剂，并以一元或二元球床形式置于由结构材料构成的结构骨架内，锂铅与聚变中子作用产生的核热沉积依靠结构内部流动的冷却剂，如水、氦气或超临界CO2等工质移出发电。所述固态锂铅合金的铅原子所占份额较低，在包层正常运行和事故工况下，锂铅始终处于固态不熔化，可通过气体吹扫球床将氚带出堆外实现氚自持。本发明的包层不需要铍也可满足氚增殖要求，并且自然界的锂铅资源丰富，成本低，可降低包层研发成本，提高聚变堆依靠固态增殖包层发电的经济性。济性。济性。