聚变-裂变混合堆的经济分析

聚变-裂变混合堆的经济分析

0混合堆在能源战略中的作用2006年，中国人均产油量仅为1.9吨，低于世界平均2吨，仅为发达国家的1.4.1.7。随着中国经济的可持续和快速发展，我们必须建设一个可持续、可持续的能源生产。预计在20.50年后，中国的能源需求将达到4.109.55109g吨标准煤炭，人均消费约为3.3.3吨。现有的石油和天然气只能在20.30年内维持。煤炭储量约为1.9.1011吨，可使用数百年，但其使用中存在着重大的破坏和风险。核能是相对干净的能源,但现有的动力堆主要是以235U为燃料的轻水堆,以核电厂寿命为60年计,1GWe电功率的电厂,在运行寿期内需消耗104t天然铀.按目前压水堆核电发展规划,2050年核电应为240~250GW,显然核电对铀的需要将会有很大的缺口.对以235U为燃料的核电达到21世纪核电发展的目标是有困难的,尽快开发以238U或232Th为燃料堆型的核电是当务之急.238U或232Th作为核燃料可满足数百年核能源的需要.快增殖堆(FBR)和聚变-裂变混合堆(Hybrid)都可实现238U,232Th作为核燃料有效利用,而混合堆在能源战略中有其独特的作用.它是次临界安全的,产生可裂变燃料的效率高,有利于核能源以更快的速度发展,特别是它可作为由裂变能源向聚变能源过渡的桥梁,促进聚变技术的发展.如果把化石燃料能源看作近期能源,238U,232Th裂变能源为长期能源,那么聚变能源,特别是氘氘聚变能源就应是永久性能源了.海水中的氘是取之不尽用之不竭的,而氘氘聚变放能已在核爆炸中实现了.在研究发展长期能源时,很自然会考虑向永久性能源过渡.混合堆在聚变能源向裂变能源过渡中起着承上启下的作用,国内外的科学工作者二三十年来在混合堆的发展研究中作了大量的工作.本文拟就钚-铀循环聚变-裂变混合堆燃料循环、特征参量及设计思想中的若干问题作一简要的分析.1包层过程变能的工作特性混合堆的堆芯是核聚变反应的系统,本文拟用Tokamak磁约束氘-氚聚变堆作堆芯,堆芯外的包层是裂变系统,类似于快增殖堆.氘-氚聚变反应产生的14.1MeV的高能中子在包层中通过(n,2n),(n,3n)和裂变反应,使能量放大和中子增殖.富裕的中子在包层中与Li反应,产生聚变反应所需的氚,俘获238U,把238U转化为239Pu与238U,235U或239Pu裂变反应,放出远大于聚变堆芯聚变放出的能量.其能量流程见图1.图中主要参数如下:1)堆芯参数:Qn=En/Ei为聚变中子能量与加热等离子体入射能量之比,En为聚变中子能量,Ei=Ecηd为加热等离子体入射能量;Ec为用于加热等离子体的电能;ηd为电能加热等离子体的效率;Eα为聚变产物α-粒子携带的能量;2)包层的特征参数:Mn=[14.1+Ef(C+S)]/14.1为包层中聚变中子能量放大倍数,Ef为每次裂变放出的能量(200MeV),C为进入包层的1个中子引起可转换核的裂变数,S为进入包层的1个中子引起可裂变核的裂变数;F为造钚率,即1个聚变中子在包层中通过可转换材料的俘获反应净产生的可裂变核数,F=(1-T)+(ε-p)+C(ν-1)+[νf-(2+α)],νf为裂变核每次裂变产生的次级中子数,其中1个中子用于本身裂变,1个中子用于造1个可裂变核,对消本身的消耗,ν为可转换核每次裂变产生的次级中子数,T为造氚率,即每个聚变中子在包层中通过6Li的吸收反应或7Li的(n,n′)反应产生的氚核数,ε为每个聚变中子在包层中通过(n,2n)(n,3n)反应的中子倍增数,p为每个聚变中子在包层中通过结构材料等的寄生吸收和泄漏的几率,α为可裂变核的俘获/裂变比;Ee=Et×ηte为系统产出的总电能,Et为系统产出的总热能,ηte为系统热电转换效率;Ee,net为系统净输出的总电能.因为包层不可能全覆盖聚变堆芯系统,因而聚变产生的中子不能完全进入包层.进入包层的份额以ΔΩ表示.为保证产氚量满足堆芯聚变的需要,产钚量会相应的减少,于是有包层的中子学设计,一般是在一定堆芯参数条件下,根据生产可裂变材料和生产电力的需要、结构力学和热工约束条件等,设计出包层结构和材料的最嘉配置.如,要设计以输出电功率为主的混合堆就提高包层中可裂变材料的份额,使Mn,net=ΔΩMn值高,Fnet=ΔΩ(F+T)-T较低.要设计产生可裂变材料为主的堆就应提高包层中可转换材料的份额,使Fnet=ΔΩ(F+T)-T值高,Mn,net=ΔΩMn值较低.根据混合堆系统能量流程,可以得出:(2)包层破坏能(3)加热和耗能耗的能耗(4)净输出能耗(5)假设混合沉积时间负荷因子c.0.7，则1mwa聚态中的14.1mev中的字数为包层中每年净产生的钚量为式中En以MW为单位;(6)取平均值1.753kghmmw-1聚变器产生的功率，包层hm总载量为式中En以MW为单位;(7)如果制造材料的可转换材料占拆卸材料的1%，则年洗涤剂用量约为1%(8)堆芯包层设计结果Efb以MW为单位.设计混合堆系统总热功率电功率1000MWe,保证氚自持(T=1.15)条件下,用不同的堆芯、包层类型,设计、计算的结果如图2~4及表1所示.2qn对放电系统功率输出的影响1)年产钚量(tHM·a-1)随Mn,net变化敏感,随堆芯参数(Qn)变化不敏感(见图2,3).系统热功率为3000MW时,Mn,net从10到30,年产鈈从1313kg到597kg;Qn从0.5到5.0,年产钚1313kg~1593kg(见图2,3或表1).这是因为产钚的效率主要取决于包层的可转换材料与可裂变材料相对量、布局和结构.可见在低Qn下,设计低Mn,net的包层对产环有利.2)系统电能输出对堆芯参数(Qn)和Mn,net变化都敏感.Qn从0.5~5.0,净电能输出从268~911MW.这是因为Qn小,加热堆芯等离子体自消耗电能大,对净电能输出量有较大影响.Mn,net起着能量放大的作用,对净电能输出量有直接影响.但当Qn大时,等离子体加热耗能低,包层能量倍增,Mn,net的敏感程度相对小一些.总的说来,提高Mn,net对系统功率输出是有利的.3混合堆与卫星堆系统的驱动源分析混合堆与轻水堆组合系统是用混合堆生产核燃料和能量,混合堆生产核燃料支持卫星堆(如压水堆)消耗核燃料,生产能量.混合堆可设计为以生产能量为主,也可设计为以生产核燃料为主,或者二者兼具.我们要研究的是,混合堆和其卫星堆生产的能量各占多大的比例是有利的.对于压水堆而言,铀资源的利用率如表2所示,混合堆与卫星堆组合系统的燃料循环,考虑在卫星堆中铀和钚的复用,铀资源的利用率可取0.98%,可算得热功率为3GW(电功率1GWe),压水堆一年约消耗600~700kg裂变核燃料.假如热功率3GW的压水堆时间负载因子取0.7,则年消耗裂变核燃料约0.7×670kg,由此可以算出不同类型的混合堆及其生产的核燃料所支持的卫星堆组合系统可生产的总能量(表3,图5,6).由计算结果可见,低能量放大、高产钚率的混合堆作为混合堆-轻水堆组合能源系统的驱动源是更为有效的.4低能量放大/mn小混合堆组合系统1)在聚变堆芯水平还比较低的情况下,设计低能量放大(Mn,net小)的混合堆包层对产钚比较有利.低能量放大的混合堆有利于产出更多的钚,支持技术成熟、经济性好的轻水堆,使混合堆+轻水堆组合系统可生产出更多的能量(见图5,6).2)驱动系统的聚变堆芯品质的提高,即Qn的增大,对混合堆+轻水堆组合系统产出能量的增加也是有利的,但对低Mn系统提高功率效果更显著.如Mn=10时,Qn=5是Qn=0.5系统净功率输出1.4倍;Mn=30时,Qn=5是Qn=0.5的1.18倍.可见,对混合堆+轻水堆组合燃料循环系统,采用低能量放大(Mn小),高产钚率的混合堆作驱动源,对提高系统总电功率输出更有利.一个混合堆驱动较多的常规的轻水堆,在经济上、技术上都将是有利的.3)用天然铀作燃料,水作冷却剂的混合堆设计方案,是一种低能量放大、高产钚率混合堆.它所产的钚除维持本身的消耗外,还可生产多余的钚供卫星堆用.这种设计方案对混合堆-卫星堆