聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界核能系統(tǒng)

1、聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界核能系統(tǒng)--- 聚變能的早期應(yīng)用途徑吳宜燦,什么是次臨界系統(tǒng)？ ---功能及特點(diǎn)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(guó)際國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀A(yù)SIPP研究進(jìn)展？建議的研發(fā)日程？,內(nèi) 容,聚變中子源驅(qū)動(dòng)的次臨界核能系統(tǒng)（FDS） ?? 多功能的混合堆,兩種核反應(yīng)的基本特點(diǎn)：聚變反應(yīng)是富中子、貧能量：14 MeV/次D＋T ==> He

2、 + n裂變反應(yīng)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(zhǎng)壽命放射性廢料核發(fā)生不同類型反應(yīng)生成新的低毒或無(wú)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)等,裂 變核 電 站,,,14MeV中子,,,核燃料,氚,核廢料,,國(guó)際權(quán)威聚變學(xué)術(shù)刊物 Nuclear Fusion審稿人認(rèn)為：對(duì)“等離子體的應(yīng)用作出了巨大貢獻(xiàn)”， “創(chuàng)新思想值得高度贊賞”。,,科技部863課題驗(yàn)收專家組認(rèn)為 “研究成果具有重要?jiǎng)?chuàng)新性,為聚變中子源的

5、早期應(yīng)用開(kāi)辟了新途徑”。,,首次在國(guó)內(nèi)開(kāi)展核廢料中子嬗變處理研究，否定了國(guó)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(huì)選為口頭報(bào)告,,,中科院等離子體物理研究所,,利用聚變中子嬗變處理長(zhǎng)壽命放射性核廢料,,聚變技術(shù)早期應(yīng)用研究,本研究工作得到了國(guó)家基金委、國(guó)家863計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院的支持,這種系統(tǒng) 對(duì)等離子體驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)要求遠(yuǎn)比純聚變電站對(duì)其等離子體堆芯要求低，接近現(xiàn)在托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置己達(dá)到的參數(shù)水平。,聚變中

6、子源驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(wàn)年以上?毒性大、壽命長(zhǎng)，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(bǔ)充聚變堆芯消耗的氚，并可有氚剩余 剩余 ==> 國(guó)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(diǎn)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(guó)際國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀A(yù)SIPP研究進(jìn)展？建議的研發(fā)日程？,內(nèi)容,核能發(fā)展現(xiàn)狀與國(guó)家能源需求,核能是公認(rèn)的現(xiàn)實(shí)的可大規(guī)模替代常規(guī)能源的既干凈又經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代能源2050年能源需求: ∽40億噸標(biāo)煤 ? 規(guī)模極大,結(jié)構(gòu)應(yīng)合理一座百千瓦核裂變電站 ? 300萬(wàn)噸原煤/年無(wú)二氧化碳造成溫室效應(yīng), 無(wú)二氧化硫和氮化物對(duì)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(jì)，裝機(jī)容量為3.6億千瓦，核電約占總發(fā)電量的23.2%, ? 而中國(guó)大陸僅1% 左右 核電可大有作為!,我國(guó)21世紀(jì)中對(duì)核能發(fā)展規(guī)模要求是十分巨大:到2050年:,從相對(duì)數(shù)量看:即使達(dá)到高目標(biāo)，其在一次能源中的比例也只有18％左右，僅能起到重要補(bǔ)充的作用。從絕對(duì)數(shù)量看:規(guī)模

10、將是空前巨大的，其高目標(biāo)將超過(guò)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(gè)重要問(wèn)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(zhǎng)大數(shù)百萬(wàn)年以上.防止核擴(kuò)散: ? 高濃钚和鈾,核能發(fā)展現(xiàn)狀與國(guó)家能源需求,受控?zé)岷司圩內(nèi)〉昧送黄菩赃M(jìn)展,將為人類提供最理想的清潔能源,但經(jīng)濟(jì)性好的純聚變能的商業(yè)應(yīng)用還需艱苦努力,一升海水中的氘 ? 300多升汽油反應(yīng)產(chǎn)物

11、幾乎是無(wú)放射性的,核能發(fā)展現(xiàn)狀與國(guó)家能源需求,有沒(méi)有可能早期應(yīng)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(wèn)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(dòng)永久清潔能源—聚變能發(fā)展的重要臺(tái)階,次臨界核能系統(tǒng)優(yōu)勢(shì) (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(xiàn), 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(shì) (II),什么是次臨界系統(tǒng)？ ---功能及特點(diǎn)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(guó)際國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀A(yù)SIPP研究進(jìn)展？建議的研發(fā)日程？,內(nèi)容,聚變驅(qū)動(dòng)器研究進(jìn)展 ( 1 ),開(kāi)發(fā)聚變能的科學(xué)可行性經(jīng)過(guò)近60年的艱難歷科學(xué)可行性己得到證實(shí)，并取得了突破性進(jìn)展,,聚變驅(qū)動(dòng)器研究進(jìn)展 ( 2 ),,表征聚變反應(yīng)率的最重要參數(shù) “聚變?nèi)胤e” : ( 溫度×密度×能量約束時(shí)間 )在日本最大的托卡馬克JT-60U上已達(dá) 1.5

13、5;1021 KeV·m-3·S。 這一重要參數(shù)在過(guò)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(guó)最大的托卡馬克TFTR達(dá)到10.7兆瓦,在歐洲的JET上達(dá)到 16.1兆瓦,已可有一定實(shí)用價(jià)值。在此中子產(chǎn)生率下，如能連續(xù)運(yùn)行，則可支持30萬(wàn)千瓦熱功率核電站的核燃料供應(yīng)！。,聚變驅(qū)動(dòng)器研究進(jìn)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(dá)到 1.25。,聚變驅(qū)動(dòng)器研究進(jìn)展 ( 4 ),,聚變驅(qū)動(dòng)器研究進(jìn)展 ( 5 ),現(xiàn)有TOKAMAK研究進(jìn)展已證明了聚變中子源應(yīng)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(yùn)行或長(zhǎng)脈沖運(yùn)行取得進(jìn)展，這種應(yīng)用將很有吸引力。,混合堆 研究進(jìn)展 --

15、- 國(guó)際 ( 1 ),50年代：混合堆，早在50年代初提出過(guò)。70年代：各自在美、蘇進(jìn)行，當(dāng)時(shí)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(guó)研究過(guò)利用混合堆生產(chǎn)現(xiàn)存大量核武器所需補(bǔ)充的氚?；旌隙训膽?yīng)用在初期是與軍備相聯(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(kuò)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(guó)際熱核聚變堆)。,90年代：美、日、歐、俄四方合作進(jìn)行了近十年

16、的ITER 概念設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)以及其他堆設(shè)計(jì)研究之后，一方面大家認(rèn)識(shí)到聚變能的現(xiàn)實(shí)性,另一方面也認(rèn)識(shí)到純聚變堆商用化（經(jīng)濟(jì)實(shí)用的聚變能源)還需努力。美國(guó)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(yīng)用的綜合評(píng)價(jià)研究報(bào)告認(rèn)為聚變最有吸引力的早期應(yīng)用是處理高放核廢料。美國(guó)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(guó)發(fā)展聚變能

17、戰(zhàn)略的一個(gè)組成部分。,混合堆 研究進(jìn)展 --- 國(guó)際 ( 2 ),美國(guó)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(yīng)用的綜合評(píng)價(jià)研究報(bào)告認(rèn)為聚變最有吸引力的早期應(yīng)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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)ITER 計(jì)劃與OTR計(jì)劃并行研究。 日本、印度一直注視著中國(guó)發(fā)展混合堆的進(jìn)展, 實(shí)際上一直在從事相關(guān)的工作。,混合堆 研究進(jìn)展 --- 國(guó)際 ( 3 ),IAEA 重

18、視混合堆研究工作,IAEA顧問(wèn)會(huì)議，MOSCOW，July 6-7, 2000：(1) 評(píng)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(yīng)邀參加IAEA混合堆顧問(wèn)會(huì)議，并應(yīng)邀為IAEA撰寫2000年混合堆現(xiàn)狀與發(fā)展評(píng)估報(bào)告。,混合堆 研究進(jìn)展 --- 國(guó)際 ( 4 ),中國(guó)的聚變-裂變混合堆研究始于1980年，大體可分以下三個(gè)階段：1980－1985年，初始物理概念研究階段:ASIPP+SWIP1

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

20、研究進(jìn)展 --- 國(guó)內(nèi),中核總及國(guó)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(dǎo)給于很大重視。 (如一期創(chuàng)新工程支持）,混合堆 研究進(jìn)展 －－ 國(guó)內(nèi),,混合堆 研究進(jìn)展 －－ 國(guó)內(nèi),,,,重要結(jié)論：聚變裂變混合堆是聚變到裂變發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要過(guò)渡，聚變和裂變不是競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,而是互相促進(jìn)的。 “聚變”到“聚變能經(jīng)濟(jì)”跨度太大，需中間應(yīng)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(wèn)題

21、)，也有利于推動(dòng)聚變的發(fā)展(定位于一個(gè)短期目標(biāo))。,混合堆 研究進(jìn)展 －－ 國(guó)際＋國(guó)內(nèi),什么是次臨界系統(tǒng)？ ---功能及特點(diǎn)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(guó)際國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀A(yù)SIPP 研究進(jìn)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(kù),研究方法： ==》 可行性研究,,實(shí)驗(yàn)設(shè)施,中科院等離子體物理所(ASIPP)是國(guó)家“863”計(jì)劃三個(gè)五年計(jì)劃中聚變裂變混合堆課題的主要承

22、擔(dān)單位之一：實(shí)驗(yàn)/設(shè)計(jì)1990年我所在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了長(zhǎng)壽命放射性廢物嬗變(轉(zhuǎn)化)的研究,1994年正式得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，九五期間列入“863”計(jì)劃混合堆課題大框架中；取得了重要成果,在國(guó)際國(guó)內(nèi)均產(chǎn)生了重要影響,在國(guó)際上已有重要的一席之地。,研究進(jìn)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(lái)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(fù)荷從10MW/m2下降到1 MW/m2，這是近期實(shí)驗(yàn)水平可以達(dá)到的，這也為處理軍用過(guò)剩钚(Pu)開(kāi)辟了一條新道路。這些結(jié)果受到國(guó)際聚變界的極大關(guān)注 ?1992年，德國(guó)，第14次IAEA大會(huì),研究進(jìn)展 --- ASIPP ( 1 ),2.裂變產(chǎn)物與錒系元素的有效嬗變: 研究進(jìn)而推廣到用14 MeV的中子來(lái)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(huì),研究進(jìn)展 --- ASIPP ( 2 ),3.基于目前現(xiàn)實(shí)的驅(qū)動(dòng)器條件進(jìn)行嬗變研究:近期ASIPP的研究已證實(shí)了基于已有實(shí)驗(yàn)裝置JET(歐州)和TFTR(美國(guó))已達(dá)到的中子流強(qiáng)水平(如中子壁負(fù)荷為0.2－0.5MW/m2)在長(zhǎng)脈沖或連續(xù)運(yùn)行情況下有可能處理10個(gè)同等熱功率的壓水堆裂變電站所產(chǎn)生的長(zhǎng)壽命錒系元素。 ? 1996年, 加拿大, 第16 次 IAEA 大會(huì),研究進(jìn)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(jìn).行了多功能包層的設(shè)計(jì)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(huì),研究進(jìn)展 --- ASIPP ( 4 ),研究進(jìn)展 --- ASIPP ( 5 ),5. 國(guó)際影響:重大國(guó)際會(huì)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(huì)口頭報(bào)告“九五”期間共60余篇國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物評(píng)價(jià)Nuclear Fusion 審稿人在給編輯部的審稿意見(jiàn)評(píng)價(jià)道：“ 這篇論文對(duì)球環(huán)等離子體的利用作出了巨大的貢獻(xiàn)?！?而且，有兩個(gè)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(jì)，另一個(gè)是液態(tài)金屬冷卻球環(huán)中心柱?！?設(shè)計(jì)實(shí)例 ( 1 ),1. 基于JET中子流強(qiáng)水平，考慮運(yùn)行時(shí)間占空比50％，則這種系統(tǒng)可處理 11 個(gè)同等功率壓水堆電站所產(chǎn)生的長(zhǎng)

27、壽命錒系廢料和部分長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物廢料，并可保持氚自持。2. 基于中子流強(qiáng)水平和尺寸在JET和ITER之間，考慮運(yùn)行時(shí)間占空比50%，則這種系統(tǒng)可年生產(chǎn)100公斤級(jí) PU239，并輸出 400MW 熱功率和可保持氚自持。,設(shè)計(jì)實(shí)例 ( 2 ),設(shè)計(jì)實(shí)例 ( 3 ),大體說(shuō)來(lái)，1GW 的混合次臨界堆，可同時(shí)解決10GW的PWR（壓水堆）的核燃料供應(yīng)和核廢料嬗變處理?；旌隙讶绻透鞣N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(guó)核電規(guī)模達(dá)到400-700GW （約占總發(fā)電量30％)。,進(jìn)展是初步的,大量的物理和技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究和發(fā)展,什么是次臨界系統(tǒng)？ ---功能及特點(diǎn)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(guó)際國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀A(yù)SIPP研究進(jìn)展？建議的研發(fā)日程？,內(nèi)容,2030年設(shè)計(jì)建造商用堆 2020年設(shè)計(jì)建造商用示范堆 2010年開(kāi)始設(shè)計(jì)建造實(shí)驗(yàn)堆 2001-2010年建堆準(zhǔn)備階段,可能的發(fā)展日程,結(jié) 論