聚變中子源驅(qū)動的次臨界核能系統(tǒng)

1、聚變中子源驅(qū)動的次臨界核能系統(tǒng)--- 聚變能的早期應用途徑吳宜燦,什么是次臨界系統(tǒng)？ ---功能及特點為什么研究它？---核能發(fā)展的現(xiàn)狀與能源需求現(xiàn)有基礎(chǔ)如何？ ---國際國內(nèi)現(xiàn)狀ASIPP研究進展？建議的研發(fā)日程？,內(nèi) 容,聚變中子源驅(qū)動的次臨界核能系統(tǒng)（FDS） ?? 多功能的混合堆,兩種核反應的基本特點：聚變反應是富中子、貧能量：14 MeV/次D＋T ==> He

2、 + n裂變反應恰好是貧中子、富能量: 200 MeV/次n + AC(重核)==> FP(裂變產(chǎn)物) + xn x=2～4,FDS = Fusion Core + Fission Blanket,,26 EPS, Mastrich, Netherlan, 14-18 June, 1999,ASIPP,Features of FDS,FDS,,,Fusion

3、 Core,FissionBlanket,Blanket functions: fuel breeding waste transmutation energy production other applications,,,,,,,,利用聚變中子轟擊有中子倍增材料如钚的次臨界包層，經(jīng)中子倍增、能譜優(yōu)化,包層中長壽命放射性廢料核發(fā)生不同類型反應生成新的低毒或無毒核素，而天然鈾吸收中子生成可裂變核燃料并且產(chǎn)生大量的能量,

4、以 “變廢為寶 ”。,,,,聚 變中 子 源 接近現(xiàn)有托卡馬克 實驗參數(shù)水平,優(yōu)化的次臨界包層系統(tǒng) 處理核廢料 生產(chǎn)核燃料 產(chǎn)氚/材料實驗等,裂 變核 電 站,,,14MeV中子,,,核燃料,氚,核廢料,,國際權(quán)威聚變學術(shù)刊物 Nuclear Fusion審稿人認為：對“等離子體的應用作出了巨大貢獻”， “創(chuàng)新思想值得高度贊賞”。,,科技部863課題驗收專家組認為 “研究成果具有重要創(chuàng)新性,為聚變中子源的

5、早期應用開辟了新途徑”。,,首次在國內(nèi)開展核廢料中子嬗變處理研究，否定了國際上早期得出的相反結(jié)論, 發(fā)表論文30余篇, 被IAEA聚變能大會選為口頭報告,,,中科院等離子體物理研究所,,利用聚變中子嬗變處理長壽命放射性核廢料,,聚變技術(shù)早期應用研究,本研究工作得到了國家基金委、國家863計劃和中國科學院的支持,這種系統(tǒng) 對等離子體驅(qū)動器的參數(shù)要求遠比純聚變電站對其等離子體堆芯要求低，接近現(xiàn)在托卡馬克聚變實驗裝置己達到的參數(shù)水平。,聚變中

6、子源驅(qū)動的次臨界核能系統(tǒng),次臨界核能系統(tǒng)功能 (I),生產(chǎn)核燃料和產(chǎn)能：中子＋U238或TH232 ==> 能量＋PU239或U233PU239或U233 可供給裂變核電站使用,次臨界核能系統(tǒng)功能 (II),處理核廢料和產(chǎn)能： 中子＋廢物核 ==> 能量＋短壽命或穩(wěn)定核 長壽命核廢物: 裂變產(chǎn)物（如99Tc、129I、137Cs等），幾百年以上 錒系元素(如Pu、Np、Am、Cm等

7、)，幾百萬年以上?毒性大、壽命長，非常難于處理。深埋 ？ 海洋？ 太空？ 利用 !,次臨界核能系統(tǒng)功能 (III),生產(chǎn)氚： 中子＋Li6 ==> 氚 ＋ He4 中子＋Li7 ==> 氚 ＋ He3 + 中子 氚可補充聚變堆芯消耗的氚，并可有氚剩余 剩余 ==> 國防,次臨界核能系統(tǒng)功能 (IV),產(chǎn)能（處理核廢料和生產(chǎn)核燃料)：,什么是次臨界系統(tǒng)？

8、 ---功能及特點為什么研究它？---核能發(fā)展的現(xiàn)狀與能源需求現(xiàn)有基礎(chǔ)如何？ ---國際國內(nèi)現(xiàn)狀ASIPP研究進展？建議的研發(fā)日程？,內(nèi)容,核能發(fā)展現(xiàn)狀與國家能源需求,核能是公認的現(xiàn)實的可大規(guī)模替代常規(guī)能源的既干凈又經(jīng)濟的現(xiàn)代能源2050年能源需求: ∽40億噸標煤 ? 規(guī)模極大,結(jié)構(gòu)應合理一座百千瓦核裂變電站 ? 300萬噸原煤/年無二氧化碳造成溫室效應, 無二氧化硫和氮化物對大

9、氣的污染世界核電狀況: 根據(jù)IAEA截止到1994年的統(tǒng)計，裝機容量為3.6億千瓦，核電約占總發(fā)電量的23.2%, ? 而中國大陸僅1% 左右 核電可大有作為!,我國21世紀中對核能發(fā)展規(guī)模要求是十分巨大:到2050年:,從相對數(shù)量看:即使達到高目標，其在一次能源中的比例也只有18％左右，僅能起到重要補充的作用。從絕對數(shù)量看:規(guī)模

10、將是空前巨大的，其高目標將超過目前全世界核電總和,裂變電站可以成為一代大規(guī)模商用能源，但必須解決四個重要問題:,.提高安全性 : ? 臨界安全 等.增殖核燃料: ? 鈾釷資源有限.處理核廢料: ? 危害長大數(shù)百萬年以上.防止核擴散: ? 高濃钚和鈾,核能發(fā)展現(xiàn)狀與國家能源需求,受控熱核聚變?nèi)〉昧送黄菩赃M展,將為人類提供最理想的清潔能源,但經(jīng)濟性好的純聚變能的商業(yè)應用還需艱苦努力,一升海水中的氘 ? 300多升汽油反應產(chǎn)物

11、幾乎是無放射性的,核能發(fā)展現(xiàn)狀與國家能源需求,有沒有可能早期應用？,在聚變能商用化以前：解決大規(guī)模發(fā)展核裂變能重要問題固有安全、深燃耗和高效率，可以成為大規(guī)模、可持續(xù)發(fā)展核能重要方式推動永久清潔能源—聚變能發(fā)展的重要臺階,次臨界核能系統(tǒng)優(yōu)勢 (I),在聚變能商用化以后：繼續(xù)為處理裂變電站積累的高放核廢料及軍用钚作貢獻, 可保持技術(shù)發(fā)展的連續(xù)性,次臨界核能系統(tǒng)優(yōu)勢 (II),什么是次臨界系統(tǒng)？ ---功能及特點為什么研究它？

12、---核能發(fā)展的現(xiàn)狀與能源需求現(xiàn)有基礎(chǔ)如何？ ---國際國內(nèi)現(xiàn)狀ASIPP研究進展？建議的研發(fā)日程？,內(nèi)容,聚變驅(qū)動器研究進展 ( 1 ),開發(fā)聚變能的科學可行性經(jīng)過近60年的艱難歷科學可行性己得到證實，并取得了突破性進展,,聚變驅(qū)動器研究進展 ( 2 ),,表征聚變反應率的最重要參數(shù) “聚變?nèi)胤e” : ( 溫度×密度×能量約束時間 )在日本最大的托卡馬克JT-60U上已達 1.5

13、5;1021 KeV·m-3·S。 這一重要參數(shù)在過去20年內(nèi)已提高了10000 倍， 目前離純聚變堆的要求僅僅還差約 20 倍。,峰值聚變輸出功率 :在美國最大的托卡馬克TFTR達到10.7兆瓦,在歐洲的JET上達到 16.1兆瓦,已可有一定實用價值。在此中子產(chǎn)生率下，如能連續(xù)運行，則可支持30萬千瓦熱功率核電站的核燃料供應！。,聚變驅(qū)動器研究進展 ( 3 ),輸出功率(獲得)和輸入功率(消

14、耗)之比的Q值:在TFTR和JET上已接近1。JT-60U上等效Q值已超 1，達到 1.25。,聚變驅(qū)動器研究進展 ( 4 ),,聚變驅(qū)動器研究進展 ( 5 ),現(xiàn)有TOKAMAK研究進展已證明了聚變中子源應用(生產(chǎn)核燃料、處理廢料、產(chǎn)能等)的可行性 (i.e. H=1, BetaN=2~3, Pfusion=10-100MW, Q=2~5)，如果穩(wěn)態(tài)運行或長脈沖運行取得進展，這種應用將很有吸引力。,混合堆 研究進展 --

15、- 國際 ( 1 ),50年代：混合堆，早在50年代初提出過。70年代：各自在美、蘇進行，當時這種研究的主要目的之一就是生產(chǎn)高純度钚。80年代初：美國研究過利用混合堆生產(chǎn)現(xiàn)存大量核武器所需補充的氚?；旌隙训膽迷诔跗谑桥c軍備相聯(lián)系(生產(chǎn)原子彈和氫彈燃料:钚和氚)，80年代后期：美蘇出自核不擴散的考慮，提出仃止研究聚變-裂變混合堆, 要求只研究純聚變堆,如ITER(國際熱核聚變堆)。,90年代：美、日、歐、俄四方合作進行了近十年

16、的ITER 概念設(shè)計和工程設(shè)計以及其他堆設(shè)計研究之后，一方面大家認識到聚變能的現(xiàn)實性,另一方面也認識到純聚變堆商用化（經(jīng)濟實用的聚變能源)還需努力。美國著名的聚變堆研究組ARIES Team 及波音公司1997年發(fā)表的關(guān)于聚變潛在應用的綜合評價研究報告認為聚變最有吸引力的早期應用是處理高放核廢料。美國在1998年又重新宣布重視混合堆研究，把聚變中子源作為聚變能的近期利用(燃燒核廢料、生產(chǎn)核燃料、產(chǎn)氚及材料輻照研究)，是美國發(fā)展聚變能

17、戰(zhàn)略的一個組成部分。,混合堆 研究進展 --- 國際 ( 2 ),美國著名的聚變堆研究組 ARIES Team 及 波音公司1997年發(fā)表的關(guān)于聚變潛在應用的綜合評價研究報告認為聚變最有吸引力的早期應用是處理高放核廢料。,前蘇聯(lián)一直重視發(fā)展混合堆，在很長一段時間內(nèi)ITER 計劃與OTR計劃并行研究。 日本、印度一直注視著中國發(fā)展混合堆的進展, 實際上一直在從事相關(guān)的工作。,混合堆 研究進展 --- 國際 ( 3 ),IAEA 重

18、視混合堆研究工作,IAEA顧問會議，MOSCOW，July 6-7, 2000：(1) 評估以前的工作(2) 與加速器混合堆系統(tǒng)比較(3) 建議下一步的工作 應邀參加IAEA混合堆顧問會議，并應邀為IAEA撰寫2000年混合堆現(xiàn)狀與發(fā)展評估報告。,混合堆 研究進展 --- 國際 ( 4 ),中國的聚變-裂變混合堆研究始于1980年，大體可分以下三個階段：1980－1985年，初始物理概念研究階段:ASIPP+SWIP1

19、886－1990年，實施“ 863 ” 計劃第一階段：(1)確定混合堆在我國能源發(fā)展中的戰(zhàn)略地位(2)進行概念設(shè)計 (3)開展了下列R&D 工作：堆芯等離子體實驗；積分中子學實驗；氚工藝；混合堆材料研究1991－2000年，實施“ 863 ” 計劃第二、三階段：在借鑒ITER EDA經(jīng)驗的同時，ASIPP與SWIP進行聯(lián)合設(shè)計，完成了實驗混合堆的詳細概念設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)工程概要設(shè)計。開展了多功能混合堆的研究。,混合堆

20、研究進展 --- 國內(nèi),中核總及國防科工委已將混合堆納入其核聚變發(fā)展規(guī)劃綱要。中科院和所各界領(lǐng)導給于很大重視。 (如一期創(chuàng)新工程支持）,混合堆 研究進展 －－ 國內(nèi),,混合堆 研究進展 －－ 國內(nèi),,,,重要結(jié)論：聚變裂變混合堆是聚變到裂變發(fā)展過程中的一個重要過渡，聚變和裂變不是競爭對手,而是互相促進的。 “聚變”到“聚變能經(jīng)濟”跨度太大，需中間應用。聚變裂變混合堆的發(fā)展不僅有利于裂變核工業(yè)解除目前的困境（解決燃料與廢料問題

21、)，也有利于推動聚變的發(fā)展(定位于一個短期目標)。,混合堆 研究進展 －－ 國際＋國內(nèi),什么是次臨界系統(tǒng)？ ---功能及特點為什么研究它？---核能發(fā)展的現(xiàn)狀與能源需求現(xiàn)有基礎(chǔ)如何？ ---國際國內(nèi)現(xiàn)狀ASIPP 研究進展？建議的研發(fā)日程？,內(nèi)容,物理方案 + 大型數(shù)值模擬程序及數(shù)據(jù)庫,研究方法： ==》 可行性研究,,實驗設(shè)施,中科院等離子體物理所(ASIPP)是國家“863”計劃三個五年計劃中聚變裂變混合堆課題的主要承

22、擔單位之一：實驗/設(shè)計1990年我所在國內(nèi)率先開展了長壽命放射性廢物嬗變(轉(zhuǎn)化)的研究,1994年正式得到了國家自然科學基金的資助，九五期間列入“863”計劃混合堆課題大框架中；取得了重要成果,在國際國內(nèi)均產(chǎn)生了重要影響,在國際上已有重要的一席之地。,研究進展 --- ASIPP,1.利用Pu作為中子倍增劑的創(chuàng)新包層概念: ASIPP自1990年以來的研究表明，如果在混合堆包層里利用Pu作為中子倍增劑，就有可能把有效嬗變裂變產(chǎn)

23、物所要求的中子壁負荷從10MW/m2下降到1 MW/m2，這是近期實驗水平可以達到的，這也為處理軍用過剩钚(Pu)開辟了一條新道路。這些結(jié)果受到國際聚變界的極大關(guān)注 ?1992年，德國，第14次IAEA大會,研究進展 --- ASIPP ( 1 ),2.裂變產(chǎn)物與錒系元素的有效嬗變: 研究進而推廣到用14 MeV的中子來嬗變各種裂變產(chǎn)物與錒系元素，還研究了在這種次臨界裝置里如何控制系統(tǒng)次臨界度及功率密度的變化。? 19

24、94年，西班牙， 第15 次 IAEA大會,研究進展 --- ASIPP ( 2 ),3.基于目前現(xiàn)實的驅(qū)動器條件進行嬗變研究:近期ASIPP的研究已證實了基于已有實驗裝置JET(歐州)和TFTR(美國)已達到的中子流強水平(如中子壁負荷為0.2－0.5MW/m2)在長脈沖或連續(xù)運行情況下有可能處理10個同等熱功率的壓水堆裂變電站所產(chǎn)生的長壽命錒系元素。 ? 1996年, 加拿大, 第16 次 IAEA 大會,研究進展 ---

25、 ASIPP ( 3 ),4. 多功能包層概念與放射性潔凈的核能系研究: 在1997年我們進.行了多功能包層的設(shè)計研究，即在同一包層里可以生產(chǎn)核燃料、處理核廢料、生產(chǎn)氚及發(fā)電，并且可以做到把這些核廢物基本“燒光”，使之成為放射性潔凈的核能系統(tǒng)? 1998年,日本， 第17次 IAEA 大會,研究進展 --- ASIPP ( 4 ),研究進展 --- ASIPP ( 5 ),5. 國際影響:重大國際會議或?qū)W術(shù)刊物發(fā)表了大量研究論

26、文包括四次IAEA聚變能大會口頭報告“九五”期間共60余篇國際權(quán)威學術(shù)刊物評價Nuclear Fusion 審稿人在給編輯部的審稿意見評價道：“ 這篇論文對球環(huán)等離子體的利用作出了巨大的貢獻?！?而且，有兩個創(chuàng)新思想是值得高度贊賞的，其一是钚利用包層的設(shè)計，另一個是液態(tài)金屬冷卻球環(huán)中心柱。”,設(shè)計實例 ( 1 ),1. 基于JET中子流強水平，考慮運行時間占空比50％，則這種系統(tǒng)可處理 11 個同等功率壓水堆電站所產(chǎn)生的長

27、壽命錒系廢料和部分長壽命裂變產(chǎn)物廢料，并可保持氚自持。2. 基于中子流強水平和尺寸在JET和ITER之間，考慮運行時間占空比50%，則這種系統(tǒng)可年生產(chǎn)100公斤級 PU239，并輸出 400MW 熱功率和可保持氚自持。,設(shè)計實例 ( 2 ),設(shè)計實例 ( 3 ),大體說來，1GW 的混合次臨界堆，可同時解決10GW的PWR（壓水堆）的核燃料供應和核廢料嬗變處理。混合堆如果和各種熱中子堆及快中子堆組成共生體系,就有可能在2050年使中

28、國核電規(guī)模達到400-700GW （約占總發(fā)電量30％)。,進展是初步的,大量的物理和技術(shù)問題有待進一步研究和發(fā)展,什么是次臨界系統(tǒng)？ ---功能及特點為什么研究它？---核能發(fā)展的現(xiàn)狀與能源需求現(xiàn)有基礎(chǔ)如何？ ---國際國內(nèi)現(xiàn)狀ASIPP研究進展？建議的研發(fā)日程？,內(nèi)容,2030年設(shè)計建造商用堆 2020年設(shè)計建造商用示范堆 2010年開始設(shè)計建造實驗堆 2001-2010年建堆準備階段,可能的發(fā)展日程,結(jié) 論