聚变中子源驱动的次临界核能系统.ppt

聚变中子源驱动的次临界核能系统 --- 聚变能的早期应用途径 吴宜灿,什么是次临界系统？ ---功能及特点 为什么研究它？ ---核能发展的现状与能源需求 现有基础如何？ ---国际国内现状 ASIPP研究进展？ 建议的研发日程？,内 容,聚变中子源驱动的次临界核能系统（FDS）  多功能的混合堆,两种核反应的基本特点： 聚变反应是富中子、贫能量：14 MeV/次 D＋T ==> He + n 裂变反应恰好是贫中子、富能量: 200 MeV/次 n + AC(重核)==> FP(裂变产物) + xn x=2∼4,FDS = Fusion Core + Fission Blanket,,26 EPS, Mastrich, Netherlan, 14-18 June, 1999,ASIPP,Features of FDS,FDS,,,Fusion Core,Fission Blanket,Blanket functions: fuel breeding waste transmutation energy production other applications,,,,,,,,利用聚变中子轰击有中子倍增材料如钚的次临界包层，经中子倍增、能谱优化,包层中长寿命放射性废料核发生不同类型反应生成新的低毒或无毒核素，而天然铀吸收中子生成可裂变核燃料并且产生大量的能量,以 “变废为宝 ”。,,,,聚 变 中 子 源 接近现有托卡马克 实验参数水平,优化的次临界 包层系统 处理核废料 生产核燃料 产氚/材料实验等,裂 变 核 电 站,,,14MeV中子,,,核燃料,氚,核废料,,国际权威聚变学术刊物 Nuclear Fusion审稿人认为：对“等离子体的应用作出了巨大贡献”， “创新思想值得高度赞赏”。,,科技部863课题验收专家组认为 “研究成果具有重要创新性,为聚变中子源的早期应用开辟了新途径”。,,首次在国内开展核废料中子嬗变处理研究，否定了国际上早期得出的相反结论, 发表论文30余篇, 被IAEA聚变能大会选为口头报告,,,中科院等离子体物理研究所,,利用聚变中子嬗变处理长寿命放射性核废料,,聚变技术早期应用研究,本研究工作得到了国家基金委、国家863计划和中国科学院的支持,这种系统 对等离子体驱动器的参数要求远比纯聚变电站对其等离子体堆芯要求低，接近现在托卡马克聚变实验装置己达到的参数水平。,聚变中子源驱动的次临界核能系统,次临界核能系统功能 (I),生产核燃料和产能： 中子＋U238或TH232 ==> 能量＋PU239或U233 PU239或U233 可供给裂变核电站使用,次临界核能系统功能 (II),处理核废料和产能： 中子＋废物核 ==> 能量＋短寿命或稳定核 长寿命核废物: 裂变产物（如99Tc、129I、137Cs等），几百年以上 锕系元素(如Pu、Np、Am、Cm等)，几百万年以上 毒性大、寿命长，非常难于处理。 深埋 ？ 海洋？ 太空？ 利用 !,次临界核能系统功能 (III),生产氚： 中子＋Li6 ==> 氚 ＋ He4 中子＋Li7 ==> 氚 ＋ He3 + 中子 氚可补充聚变堆芯消耗的氚，并可有氚剩余 剩余 ==> 国防,次临界核能系统功能 (IV),产能（处理核废料和生产核燃料)：,什么是次临界系统？ ---功能及特点 为什么研究它？ ---核能发展的现状与能源需求 现有基础如何？ ---国际国内现状 ASIPP研究进展？ 建议的研发日程？,内容,核能发展现状与国家能源需求,核能是公认的现实的可大规模替代常规能源的既干净又经济的现代能源 2050年能源需求: ∽40亿吨标煤  规模极大,结构应合理 一座百千瓦核裂变电站  300万吨原煤/年 无二氧化碳造成温室效应, 无二氧化硫和氮化物对大气的污染 世界核电状况: 根据IAEA截止到1994年的统计，装机容量为3.6亿千瓦，核电约占总发电量的23.2%,  而中国大陆仅1% 左右 核电可大有作为!,我国21世纪中对核能发展规模要求是十分巨大:到2050年:,从相对数量看: 即使达到高目标，其在一次能源中的比例也只有18％左右，仅能起到重要补充的作用。 从绝对数量看: 规模将是空前巨大的，其高目标将超过目前全世界核电总和,裂变电站可以成为一代大规模商用能源，但必须解决四个重要问题:,.提高安全性 :  临界安全 等 .增殖核燃料:  铀钍资源有限 .处理核废料:  危害长大数百万年以上 .防止核扩散:  高浓钚和铀,核能发展现状与国家能源需求,受控热核聚变取得了突破性进展,将为人类提供最理想的清洁能源,但经济性好的纯聚变能的商业应用还需艰苦努力,一升海水中的氘  300多升汽油 反应产物几乎是无放射性的,核能发展现状与国家能源需求,有没有可能早期应用？,在聚变能商用化以前： 解决大规模发展核裂变能重要问题 固有安全、深燃耗和高效率，可以成为大规模、可持续发展核能重要方式 推动永久清洁能源—聚变能发展的重要台阶,次临界核能系统优势 (I),在聚变能商用化以后： 继续为处理裂变电站积累的高放核废料及军用钚作贡献, 可保持技术发展的连续性,次临界核能系统优势 (II),什么是次临界系统？ ---功能及特点 为什么研究它？ ---核能发展的现状与能源需求 现有基础如何？ ---国际国内现状 ASIPP研究进展？ 建议的研发日程？,内容,聚变驱动器研究进展 ( 1 ),开发聚变能的科学可行性经过近60年的艰难历科学可行性己得到证实，并取得了突破性进展,,聚变驱动器研究进展 ( 2 ),,表征聚变反应率的最重要参数 “聚变三重积” : ( 温度×密度×能量约束时间 ) 在日本最大的托卡马克JT-60U上已达 1.5×1021 KeV·m-3·S。 这一重要参数在过去20年内已提高了10000 倍， 目前离纯聚变堆的要求仅仅还差约 20 倍。,峰值聚变输出功率 : 在美国最大的托卡马克TFTR达到10.7兆瓦, 在欧洲的JET上达到 16.1兆瓦, 已可有一定实用价值。 在此中子产生率下，如能连续运行，则可支持30万千瓦热功率核电站的核燃料供应！ 。,聚变驱动器研究进展 ( 3 ),输出功率(获得)和输入功率(消耗)之比的Q值: 在TFTR和JET上已接近1。JT-60U上等效Q值已超 1，达到 1.25。,聚变驱动器研究进展 ( 4 ),,聚变驱动器研究进展 ( 5 ),现有TOKAMAK研究进展已证明了聚变中子源应用 (生产核燃料、处理废料、产能等)的可行性 (i.e. H=1, BetaN=2~3, Pfusion=10-100MW, Q=2~5)， 如果稳态运行或长脉冲运行取得进展， 这种应用将很有吸引力。,混合堆 研究进展 --- 国际 ( 1 ),50年代：混合堆，早在50年代初提出过。 70年代：各自在美、苏进行，当时这种研究的主要目的之一就是 生产高纯度钚。 80年代初：美国研究过利用混合堆生产现存大量核武器所需补充的氚。混合堆的应用在初期是与军备相联系(生产原子弹和氢弹燃料:钚和氚)， 80年代后期：美苏出自核不扩散的考虑，提出仃止研究聚变-裂变混合堆, 要求只研究纯聚变堆,如ITER(国际热核聚变堆)。,90年代： 美、日、欧、俄四方合作进行了近十年的ITER 概念设计和工程设计以及其他堆设计研究之后，一方面大家认识到聚变能的现实性,另一方面也认识到纯聚变堆商用化（经济实用的聚变能源)还需努力。 美国著名的聚变堆研究组ARIES Team 及波音公司1997年发表的关于聚变潜在应用的综合评价研究报告认为聚变最有吸引力的早期应用是处理高放核废料。 美国在1998年又重新宣布重视混合堆研究，把聚变中子源作为聚变能的近期利用(燃烧核废料、生产核燃料、产氚及材料辐照研究)，是美国发展聚变能战略的一个组成部分。,混合堆 研究进展 --- 国际 ( 2 ),美国著名的聚变堆研究组 ARIES Team 及 波音公司 1997年发表的关于聚变潜在应用的综合评价研究报告 认为聚变最有吸引力的早期应用是处理高放核废料。,前苏联一直重视发展混合堆，在很长一段时间内ITER 计划与OTR计划并行研究。 日本、印度一直注视着中国发展混合堆的进展, 实际上一直在从事相关的工作。,混合堆 研究进展 --- 国际 ( 3 ),IAEA 重视混合堆研究工作, IAEA顾问会议，MOSCOW，July 6-7, 2000： (1) 评估以前的工作 (2) 与加速器混合堆系统比较 (3) 建议下一步的工作 应邀参加IAEA混合堆顾问会议，并应邀为IAEA撰写2000年混合堆现状与发展评估报告。,混合堆 研究进展 --- 国际 ( 4 ),中国的聚变-裂变混合堆研究始于1980年，大体可分以下三个阶段： 1980－1985年，初始物理概念研究阶段:ASIPP+SWIP 1886－1990年，实施“ 863 ” 计划第一阶段： (1)确定混合堆在我国能源发展中的战略地位(2)进行概念设计 (3)开展了下列R&D 工作：堆芯等离子体实验；积分中子学实验；氚工艺；混合堆材料研究 1991－2000年，实施“ 863 ” 计划第二、三阶段： 在借鉴ITER EDA经验的同时，ASIPP与SWIP进行联合设计，完成了实验混合堆的详细概念设计和关键技术工程概要设计。开展了多功能混合堆的研究。,混合堆 研究进展 --- 国内,中核总及国防科工委已将混合堆纳入其核聚变发展规划纲要。 中科院和所各界领导给于很大重视。 (如一期创新工程支持）,混合堆 研究进展 －－ 国内,,混合堆 研究进展 －－ 国内,,,,重要结论： 聚变裂变混合堆是聚变到裂变发展过程中的一个重要过渡，聚变和裂变不是竞争对手,而是互相促进的。 “聚变”到“聚变能经济”跨度太大，需中间应用。 聚变裂变混合堆的发展不仅有利于裂变核工业解除目前的困境（解决燃料与废料问题)，也有利于推动聚变的发展(定位于一个短期目标)。,混合堆 研究进展 －－ 国际＋国内,什么是次临界系统？ ---功能及特点 为什么研究它？ ---核能发展的现状与能源需求 现有基础如何？ ---国际国内现状 ASIPP 研究进展？ 建议的研发日程？,内容,物理方案 + 大型数值模拟程序及数据库,研究方法： ==》 可行性研究,,实验设施,中科院等离子体物理所(ASIPP)是国家“863”计划三个五年计划中聚变裂变混合堆课题的主要承担单位之一： 实验/设计 1990年我所在国内率先开展了长寿命放射性废物嬗变(转化)的研究,1994年正式得到了国家自然科学基金的资助，九五期间列入“863”计划混合堆课题大框架中； 取得了重要成果,在国际国内均产生了重要影响,在国际上已有重要的一席之地。,研究进展 --- ASIPP,1.利用Pu作为中子倍增剂的创新包层概念: ASIPP自1990年以来的研究表明，如果在混合堆包层里利用Pu作为中子倍增剂，就有可能把有效嬗变裂变产物所要求的中子壁负荷从10MW/m2下降到1 MW/m2，这是近期实验水平可以达到的，这也为处理军用过剩钚(Pu)开辟了一条新道路。这些结果受到国际聚变界的极大关注 1992年，德国，第14次IAEA大会,研究进展 --- ASIPP ( 1 ),2.裂变产物与锕系元素的有效嬗变: 研究进而推广到用14 MeV的中子来嬗变各种裂变产物与锕系元素，还研究了在这种次临界装置里如何控制系统次临界度及功率密度的变化。  1994年，西班牙， 第15 次 IAEA大会,研究进展 --- ASIPP ( 2 ),3.基于目前现实的驱动器条件进行嬗变研究: 近期ASIPP的研究已证实了基于已有实验装置JET(欧州)和TFTR(美国)已达到的中子流强水平(如中子壁负荷为0.2－0.5MW/m2)在长脉冲或连续运行情况下有可能处理10个同等热功率的压水堆裂变电站所产生的长寿命锕系元素。  1996年, 加拿大, 第16 次 IAEA 大会,研究进展 --- ASIPP ( 3 ),4. 多功能包层概念与放射性洁净的核能系研究: 在1997年我们进.行了多功能包层的设计研究，即在同一包层里可以生产核燃料、处理核废料、生产氚及发电，并且可以做到把这些核废物基本“烧光”，使之成为放射性洁净的核能系统  1998年,日本， 第17次 IAEA 大会,研究进展 --- ASIPP ( 4 ),研究进展 --- ASIPP ( 5 ),5. 国际影响: 重大国际会议或学术刊物发表了大量研究论文 包括四次IAEA聚变能大会口头报告 “九五”期间共60余篇 国际权威学术刊物评价 Nuclear Fusion 审稿人在给编辑部的审稿意见评价道：“ 这篇论文对球环等离子体的利用作出了巨大的贡献。…… 而且，有两个创新思想是值得高度赞赏的，其一是钚利用包层的设计，另一个是液态金属冷却球环中心柱。”,设计实例 ( 1 ),1. 基于JET中子流强水平，考虑运行时间占空比50％，则这种系统可处理 11 个同等功率压水堆电站所产生的长寿命锕系废料和部分长寿命裂变产物废料，并可保持氚自持。 2. 基于中子流强水平和尺寸在JET和ITER之间，考虑运行时间占空比50%，则这种系统可年生产100公斤级 PU239，并输出 400MW 热功率和可保持氚自持。,设计实例 ( 2 ),设计实例 ( 3 ),大体说来，1GW 的混合次临界堆，可同时解决10GW的PWR（压水堆）的核燃料供应和核废料嬗变处理。 混合堆如果和各种热中子堆及快中子堆组成共生体系,就有可能在2050年使中国核电规模达到400-700GW （约占总发电量30％)。,进展是初步的,大量的物理和技术问题 有待进一步研究和发展,什么是次临界系统？ ---功能及特点 为什么研究它？ ---核能发展的现状与能源需求 现有基础如何？ ---国际国内现状 ASIPP研究进展？ 建议的研发日程？,内容,2030年设计建造商用堆 2020年设计建造商用示范堆 2010年开始设计建造实验堆 2001-2010年建堆准备阶段,可能的发展日程,结 论,聚变能技术能获得早期应用---聚变中子源驱动的次临界核能系统（多功能混合堆）； 聚变裂变混合堆是推动聚变发展的重要台阶； 聚变裂变混合堆能解决目前裂变发展所遇到的困境； 中国核能发展应走发展聚变裂变混合堆之路。,