[发明专利]一种可适应于两种聚变功率的聚变堆包层

说明书

本发明公开了一种可适应于两种聚变功率的聚变堆包层，由第一壁、冷却板、支撑隔板和侧板组成，冷却板和支撑隔板分别沿径向和环向布置，将包层分隔成多个氚增殖区和中子倍增区。该包层有两套相互独立的冷却剂系统，每套冷却剂系统分别由四个分配联箱与第一壁、冷却板、支撑隔板、侧板配合构成。该包层在聚变堆低功率阶段运行时，只打开一套冷却剂系统；在高功率阶段运行时，同时打开两套冷却剂系统。为提高氚增殖区在低聚变功率运行下的温度以利于氚的释放，两套冷却剂系统在各部件中采用交叉间隔流道布置。本发明可以避免聚变堆在高低功率转换时更换包层的操作，节省了氚增殖剂、中子倍增剂和钢结构等材料，提高了聚变堆运行的经济性。

技术领域

本发明涉及聚变堆工程技术领域，具体是一种可适应于两种聚变功率的聚变堆包层。

背景技术

包层是聚变堆内围绕等离子体的核心部件，为实现氘-氚自持的核聚变反应，内部需要携带中子倍增剂与氚增殖剂，分别用于倍增中子与产氚，同时产生高功率密度的核热沉积，该核热沉积与来自堆芯的高辐射热流通过包层内部的冷却剂系统带出发电。从热工水力学的观点上讲，包层冷却剂系统的设计需要兼顾多方面的因素：材料的温度应该被冷却至最高允许值以下，并留有足够的裕量；为确保氚能够顺利地从增殖剂中释放，氚增殖区的温度应在合理的释氚温度范围内；为提高热电转换效率，冷却剂系统的结构设计应能使冷却剂的流动压降尽可能小；为避免局部区域出现热点，由母管分配给并排的冷却剂管道的流量应尽可能均匀，以便获得较为均匀的温度场；为提高氚增殖率，冷却剂系统应简单化，减少包层内部钢材料的用量。因此，包层冷却剂系统设计是实现包层功能的核心工作。出于保守考虑，聚变堆研究是一个从低等离子体运行参数到高等离子体运行参数的过程，例如，在500MW聚变功率的国际热核聚变实验堆（ITER）之后，欧洲、日本、韩国和中国分别提出了运行功率为2.5GW、1.35GW、2.2GW和1GW的聚变实验堆。其中，中国聚变工程实验堆（CFETR）计划运行在两个阶段，第一阶段的聚变功率仅为200MW，验证氘-氚自持的核聚变反应；第二阶段的聚变功率高达1GW，验证未来商业聚变堆发电的可行性。

国内外已经研发了可运行在低聚变功率到高聚变功率的一系列包层，按冷却剂分类，可包括水，氦气，以及液态金属冷却包层。尽管这些包层能够满足中子学、热工水力学和结构学等各方面的要求，但仍存在明显的缺点：（1）只能适应于单一的聚变功率，即将能够承受高聚变功率的包层应用到聚变堆低功率阶段时，氚增殖区的温度会很低，无法释放氚，因而不能实现氘氚自持的聚变反应；将能够承受低聚变功率的包层应用到聚变堆高功率阶段时，材料的温度会明显超标。这意味着聚变堆研究在由低聚变功率向高聚变功率阶段转变时，需要重新设计包层并作替换，增加了工程量；（2）由于在低聚变功率阶段的包层已经被高通量中子活化具有强放射性，在高聚变功率阶段将不能再继续使用，造成大量钢材料、中子倍增剂和氚增殖剂的损失，降低聚变实验堆运行的经济性。

发明内容 本发明的目的是提供一种可适应于两种聚变功率的聚变堆包层，以解决现有技术聚变堆内包层仅适用于单一的聚变功率，在聚变堆研究由低聚变功率向高聚变功率阶段转变时需要重新设计包层，浪费大量钢材料、中子倍增剂和氚增殖剂的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种可适应于两种聚变功率的聚变堆包层，其特征在于：包括由第一壁、冷却板、支撑隔板和侧板组成的结构骨架，其中冷却板和支撑隔板分别沿径向和环向布置，将包层分隔成多个氚增殖区和中子倍增区，第一壁、冷却板、支撑隔板和侧板内分别布置多根流道，将核热沉积与第一壁的辐射热流带出发电；

还包括设置在整个包层背面的分配联箱一～分配联箱八，其中分配联箱一～分配联箱四与第一壁、冷却板、支撑隔板和侧板构成第一套冷却剂系统，在第一套冷却剂系统中，冷却剂从包层外部流进分配联箱一，通过分配联箱一分配冷却剂到第一壁，冷却剂从第一壁流出后汇集到分配联箱二，由分配联箱二分配冷却剂到冷却板，冷却剂从冷却板流出后汇集到分配联箱三，由分配联箱三分配冷却剂到支撑隔板和侧板，冷却剂从支撑隔板和侧板流出后汇集到分配联箱四，最终从分配联箱四流出包层；