一種用於Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室的製作方法與工藝

2024-03-23 21:03:05

本發明屬於核反應堆裝置領域，尤其涉及用於Z箍縮聚變裂變混合能源堆的聚變靶室。

背景技術：
Z箍縮驅動聚變-裂變混合能源堆(Z-Pinch-DrivenFusion-FissionHybridPowerReactor,Z-FFR)利用Z箍縮驅動慣性約束聚變(InertialConfinementFusion,ICF)產生的大量中子驅動次臨界裂變堆而釋放能量，是一種能夠有效應對未來能源危機和環境氣候問題的新能源。Z-FFR需要聚變靶室(FusionChamber)為聚變的產生提供必要的環境，包容聚變產物並提供聚變安全防護功能。能源應用尺度的Z箍縮聚變放能約為每脈衝1～3GJ(1GJ＝109J)，其中80％的能量由聚變高能中子攜帶、用於驅動次臨界裂變堆放能。其餘20％的能量由X射線、離子(Ions)和碎片(Debris)攜帶，將在微秒時間尺度內衝擊聚變靶室面向等離子體第一壁(FirstWall,FW)，造成第一壁表面燒蝕和結構破壞，影響靶室安全和運行壽命。當前主要通過在靶室內部填充液態或氣體/氣溶膠來吸收聚變X射線、離子和碎片能量以實現靶室安全防護。這些填充物吸收大量能量後，溫度急劇升高、對靶室第一壁產生熱力學衝擊，同時產生強衝擊波(即輻射驅動衝擊波)、對靶室結構產生強的力學衝擊。因此靶室必須能夠同時承受周期性的熱力學衝擊和力學衝擊。美國聖地亞國家實驗室(SandiaNationalLaboratory,SNL)提出了Z箍縮慣性約束聚變堆概念「Z-IFE」。其聚變靶室設計針對每脈衝3GJ、0.1Hz運行頻率(10秒一次)的聚變放能，採用厚液遮蔽(ThickLiquidCurtain)防護方法，通過高壓噴射氟鋰鈹(Flibe)或鋰鉛(LiPb)液態熔鹽(等效厚度約1m)吸收全部聚變產物。靶室為球形，採用F82H低活化鋼材料，半徑6.5m、壁厚35cm，主要作為結構件、承擔結構支撐和輻射屏蔽功能。Z-IFE概念是純聚變堆，利用厚液遮蔽(ThickLiquidCurtain)方法吸收包括幾乎全部聚變高能中子在內的聚變放能，靶室第一壁面臨較小的熱衝擊問題。但Z-FFR不可能採用厚液遮蔽(ThickLiquidCurtain)防護方法，因此熱衝擊問題不可避免，Z-IFE的靶室設計不能解決靶室第一壁的耐熱力學衝擊問題。同時，Z-IFE的靶室設計採用35cm厚的低活化鋼作為第一壁，具有相當高的結構強度，同樣的力學衝擊在該靶室結構中引起的應力很低，因而安全性很好。但這樣的厚度對高能聚變中子的吸收非常強，由於Z-FFR需要聚變高能中子來驅動次臨界裂變堆放能、而不是被靶室第一壁吸收，因此Z-IFE的靶室設計無法保證Z-FFR的核性能。美國聖地亞國家實驗室也提出了Z箍縮驅動嬗變堆概念「In-Zinerator」，用於嬗變 現有裂變核電站產生的乏燃料。其聚變靶室設計針對每脈衝0.2GJ、0.1Hz運行頻率(10秒一次)的聚變放能，採用在靶室內充1000～2000Pa的Ar氣/氣溶膠以吸收聚變X射線的防護手段。其靶室為圓柱體，採用鎳基高溫合金材料，半徑2m、高5m，第一壁厚5cm、對聚變中子吸收較強，但由於其外部裂變包層反應性較高，穿過第一壁的聚變中子仍能滿足該系統的總體要求。In-Zinerator主要目的是嬗變現有裂變核電站產生的乏燃料，其外部裂變包層反應性參數keff～0.97。因此在聚變靶室設計中，允許採用較厚(5cm)的第一壁以提高結構強度裕量，即使其吸收了部分聚變中子，剩餘穿過第一壁的聚變中子仍能滿足要求。而Z-FFR次臨界裂變堆採用天然鈾作為燃料，其反應性參數較低(keff<0.7)，確保其具有天然的安全性和經濟性。而這種設計則要求較強的聚變中子來驅動，因此對第一壁厚度提出了苛刻的要求，5cm厚鎳合金將對聚變中子造成無法接受的影響。同時，In-Zinerator的聚變放能只有每脈衝0.2GJ，因此採用半徑2m的小靶室、充氣氛圍防護就可以滿足靶室耐熱燒蝕和熱力學衝擊要求。而Z-FFR聚變放能超過每脈衝1～3GJ、比In-Zinerator強得多，因此In-Zinerator的小半徑靶室不能解決Z-FFR面臨的耐熱燒蝕和熱力學衝擊要求。

技術實現要素：
本發明的目的在於：針對現有技術的缺陷，提出了一種用於Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室，該靶室設計能夠同時應對熱力學衝擊和力學衝擊，並滿足Z-FFR中子物理學性能要求。本發明目的通過下述技術方案來實現：一種用於Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室，包括由面向等離子體第一壁圍成的靶室，所述面向等離子體第一壁內壁表面設有耐熱燒蝕防護層，所述靶室為球形殼體結構，其上端設有換料通道開口，下端設有廢物移出通道開口；將該球形殼體結構以過換料通道開口中心、球形殼體結構球心和廢物移出通道開口中心三點的若干面進行分割形成若干結構單元，所述靶室的球形殼體結構由該若干結構單元拼接構成，所述結構單元橫截面呈弧形，且朝靶室內部凸起。上述方案中，本發明設計了一種用於Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室，通過靶室第一壁表面敷塗防護層來提高耐熱衝擊性能，通過採用低曲率半徑的結構單元設計降低了衝擊波對靶室結構的衝擊，該靶室設計能夠同時應對熱力學衝擊和力學衝擊，並滿足Z-FFR中子物理學性能要求。作為選擇，所述各結構單元均勻分布。作為選擇，所述結構單元橫截面呈圓弧形。作為選擇，所述結構單元弧形橫截面的曲率半徑為50～100cm。作為選擇，所述靶室半徑7m，由36個所述結構單元均勻拼接構成，內部充500Pa～2000Pa的Ar氣。上述方案中，聚變靶室半徑7m、內部充500Pa～2000Pa的Ar氣，7m半徑既保證足夠的Ar充氣以吸收99％以上的聚變X射線能量，又降低了第一壁表面的聚變中子通量密度、降低了聚變高能中子對第一壁的輻射損傷。靶室內部存在1MPa衝擊壓力，連同靶室自身重量和內外氣壓，將在半徑7m、厚1cm的薄球殼第一壁內產生約200MPa以上應力，對聚變靶室結構安全與壽命不利。本發明採用36個結構單元拼接形成完整的聚變靶室，每個單元的曲率半徑減小至0.6m，可將靶室第一壁結構應力降低至30MPa，大幅提升了靶室結構的安全性。作為選擇，所述耐熱燒蝕防護層為能夠承受0.5J/cm2的循環熱力學衝擊的材料製成。作為進一步選擇，所述耐熱燒蝕防護層由鎢、鉬合金或SiC陶瓷製成。所述鉬合金可選Mo-Ti-Zr合金和Mo-W合金等具有較高力學強度和再結晶溫度的鉬合金材料。作為更進一步選擇，所述耐熱燒蝕防護層為0.1mm～1.0mm的鎢塗層。上述方案中，第一壁表面塗0.1mm～1.0mm的鎢作為耐熱燒蝕防護層，可以承受1J/cm2的熱衝擊。鎢和鈦鋁合金的熱膨脹係數接近，塗層界面具有較好的熱力學衝擊穩定性。作為選擇，所述靶室半徑大於5m，面向等離子體第一壁由厚度小於2cm，能夠承受1MPa的衝擊波力學衝擊，工作溫度大於500℃的金屬製成。上述方案中，第一壁厚度小於2cm，以儘可能降低對聚變中子的吸收，同時降低中子輻射損傷效應，靶室半徑大於5m，滿足自身結構強度要求。作為進一步選擇，所述面向等離子體第一壁由鈦基合金或鉬基合金製成。所述Ti基合金(Titaniumbasealloys(Ti-based))可選Ti3Al合金、TiAl合金。所述鉬基合金可選Mo-Ti-Zr合金。作為更進一步選擇，所述面向等離子體第一壁為厚度1cm的鈦鋁合金。上述方案中，靶室第一壁材料選擇鈦鋁合金。鈦元素和鋁元素與聚變高能中子的反應截面很小，可以降低中子對第一壁的輻射損傷。第一壁厚度1cm，保證80％以上的聚變高能中子均能直接透過第一壁，同時鈦和高能中子存在可觀的(n,2n)反應、使得通過第一壁後進入次臨界裂變堆的中子總數有所增加，可確保Z-FFR的核性能。鈦鋁合金具有較好的機械性能，工作溫度可達800℃，相應的拉伸強度和屈服強度均在 500MPa以上，提升了靶室對高溫工作環境的適應性。本發明前述各方案中所涉及各種材料均可市售購得，實施時可根據需要選擇組合。前述本發明主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發明可採用並要求保護的方案：如本發明，各選擇即可和其他選擇任意組合，本領域技術人員在了解本發明方案後根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本發明所要保護的技術方案，在此不做窮舉。本發明縮略語和關鍵術語定義：Z箍縮——利用大驅動電流產生的超強電磁力驅動負載等離子體內爆、從而實現聚變的一種技術途徑；Z-FFR——Z箍縮驅動聚變-裂變混合能源堆(Z-Pinch-DrivenFusion-FissionHybridPowerReactor)，彭先覺院士和中國工程物理研究院提出的利用Z箍縮聚變中子驅動次臨界裂變堆從而產生能量的能源堆概念；ICF——慣性約束聚變(InertialConfinementFusion)；FW——面向等離子體第一壁(FirstWall)；Z-IFE——美國聖地亞國家實驗室提出的Z箍縮慣性約束聚變能源概念，是純聚變發電能源堆；In-Zinerator——美國聖地亞國家實驗室提出的Z箍縮驅動嬗變堆概念，用於嬗變現有裂變核電站產生的乏燃料。本發明的有益效果：通過靶室第一壁表面敷塗防護層來提高耐熱衝擊性能，通過採用結構單元結構降低了衝擊波對靶室結構的衝擊，該靶室設計能夠同時應對熱力學衝擊和力學衝擊，並滿足Z-FFR中子物理學性能要求：①靶室第一壁表面敷塗耐熱防護層提高了耐熱衝擊性能，如鎢塗層可承受1.0J/cm2的X射線輻照；②採用結構單元拼接形成靶室，通過減小各單元的曲率半徑降低了衝擊波對靶室結構的力學衝擊效應，如36個結構單元下1MPa衝擊波對靶室結構造成的衝擊應力僅30MPa，大幅提升了靶室結構的安全裕量；③採用前述結構設計，使得靶室第一壁厚度大為降低，形成薄壁聚變靶室，如靶室第一壁使用1cm厚鈦鋁合金可降低對聚變高能中子的吸收，提高了Z-FFR的放能性能和氚增殖性能；④鈦鋁合金具有較好的機械性能，工作溫度可達800℃，相應的拉伸強度和屈服強度均在500MPa以上，提升了靶室對高溫工作環境的適應性。附圖說明圖1是本發明的立體結構示意圖；圖2是本發明結構單元的結構示意圖；圖3是圖2結構單元下半段的結構示意圖；圖4是圖3的左視結構示意圖；圖5是圖4的俯視結構示意圖；圖6是本發明的縱剖結構示意圖；其中1為MITL(磁絕緣傳輸線)、2為RTL(可更換傳輸線)、3為聚變靶心、4為氣體氛圍層、5為耐熱燒蝕防護層、6為面向等離子體第一壁、7為換料通道開口、8為廢物移出通道開口、9為結構單元。具體實施方式下列非限制性實施例用於說明本發明。實施例1：參考圖1至6所示，一種用於Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室，包括由面向等離子體第一壁6圍成的靶室，面向等離子體第一壁6內壁表面設有耐熱燒蝕防護層5，靶室為球形殼體結構，其上端設有換料通道開口7，下端設有廢物移出通道開口8；將該球形殼體結構以過換料通道開口7中心、球形殼體結構球心和廢物移出通道開口8中心三點的若干面進行分割形成若干結構單元9(分割面即圖6所示縱剖圖)，靶室的球形殼體結構由該若干結構單元9拼接構成，結構單元9橫截面呈弧形，且朝靶室內部凸起(靶室的水平剖視圖則呈波浪圓形，圖中未示出)。作為選擇，如本實施例所示，靶室半徑7m，面向等離子體第一壁6為厚度1cm的TiAl合金，耐熱燒蝕防護層5為0.2mm的鎢塗層，靶室由36個結構單元9均勻拼接構成，結構單元9橫截面呈圓弧形，曲率半徑為0.6m，每個結構單元9均由上下兩段拼接構成，靶室內部充2000Pa的Ar氣的氣體氛圍層4。利用輻射流體力學模型計算程序計算了在1.5GJ聚變放能條件下，第一壁內表面輻射能量密度為0.06J/cm2、小於W塗層燒蝕限值，第一壁同時受到的衝擊強度為0.3MPa。使用ANSYS14.0有限元分析軟體計算了1MPa內部衝擊壓力條件下，第一壁內部應力強度峰值小於60MPa,遠小於TiAl合金強度限值。該靶室設計同時滿足了Z-FFR的熱學和力學防護要求。實施例2：本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：靶室半徑8m，面向等離子體第一壁為厚 度1cm的Ti3Al合金，耐熱燒蝕防護層為0.1mm的W，靶室由36個結構單元均勻拼接構成，結構單元橫截面呈圓弧形，曲率半徑為0.7m，靶室內部充1000Pa的Ar氣。利用輻射流體力學模型計算程序計算了在1.5GJ聚變放能條件下，第一壁內表面輻射能量密度為0.05J/cm2、小於W塗層燒蝕限值，第一壁同時受到的衝擊強度為0.24MPa。使用ANSYS14.0有限元分析軟體計算了1MPa內部衝擊壓力條件下，第一壁內部應力強度峰值小於70MPa,遠小於Ti3Al合金強度限值。該靶室設計同時滿足了Z-FFR的熱學和力學防護要求。實施例3：本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：靶室半徑7m，面向等離子體第一壁為厚度1.5cm的TiAl合金，耐熱燒蝕防護層為0.15mm的W-10％Re合金，靶室由30個結構單元均勻拼接構成，結構單元橫截面呈圓弧形，曲率半徑為0.7m，靶室內部充2000Pa的Ar氣。利用輻射流體力學模型計算程序計算了在1.5GJ聚變放能條件下，第一壁內表面輻射能量密度為0.06J/cm2、小於W塗層燒蝕限值，第一壁同時受到的衝擊強度為0.3MPa。使用ANSYS14.0有限元分析軟體計算了1MPa內部衝擊壓力條件下，第一壁內部應力強度峰值小於40MPa,遠小於TiAl合金強度限值。該靶室設計同時滿足了Z-FFR的熱學和力學防護要求。實施例4：本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：靶室半徑6.5m，面向等離子體第一壁為厚度1.5cm的TiAl合金，耐熱燒蝕防護層為0.2mm的W-10％Re合金，靶室由36個結構單元均勻拼接構成，結構單元橫截面呈圓弧形，曲率半徑為0.5m，靶室內部充2000Pa的Ar氣。利用輻射流體力學模型計算程序計算了在1.5GJ聚變放能條件下，第一壁內表面輻射能量密度為0.08J/cm2、小於W塗層燒蝕限值，第一壁同時受到的衝擊強度為0.4MPa。使用ANSYS14.0有限元分析軟體計算了1MPa內部衝擊壓力條件下，第一壁內部應力強度峰值小於60MPa,遠小於TiAl合金強度限值。該靶室設計同時滿足了Z-FFR的熱學和力學防護要求。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。