聚变裂变混合堆

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1、1.混合堆概念的提出　　氘、氚聚变不仅是一个巨大的能源，而且是一个巨大的中子源。我们可以利用聚变反应室产生的中子，在聚变反应室外的铀－238、钍－232包层中，生产钚－239或铀－233等核燃料。这就是所谓聚变裂变混合堆，简称混合堆。混合堆是一个可供选择的堆型。铀－235原子核一次裂变，可以放出2.43个中子；氘、氚一次聚变，只放出1个中子，比铀－235一次裂变放出的中子少；但由于铀－235吸收中子后有一部分会变成铀－236而不裂变，所以铀－235每次平均要吸收1.175个中子才能裂变，要求铀－235质量大，如果按相同质量比较，氘、氚聚变放出的中子数，是铀－235裂变释放的净中子数的43倍

2、以上。氘、氚聚变时释放的能量，80%变成聚变时放出的中子的动能。因而氘、氚聚变不仅释放的中子数量多，而且释放的中子能量高。铀－235裂变放出的中子能量大多为100～200万电子伏，而氘、氚聚变放出的中子，能量高达140O万电子伏。然而要直接利用高能量中子的这部分动能是很困难的。可是从生产核燃料的角度来看，一个聚变中子的作用比一个裂变中子的作用大得多。这是因为高能聚变中子轰击到铀－238及钍－232靶上，可以产生一系列串级的引起中子和核燃料增殖的核过程，释放出比聚变中子能量稍低但数量增加几倍的次级中子。这些次级中子，除了一部分仍可使铀－238及钍－232裂变继续放出中子外，还有一部分可以使铀

3、－238及钍－232变成钚－239及铀－233等优质核燃料。　　在适当厚的天然铀靶内，一个聚变中子可以生产出22倍于它所携带的能量，并获得5个钚－239原子核。由于这个原因，如果在聚变反应室外放置一层足够厚的由天然铀、铀－238或钍－232组成的再生区，聚变产生的中子，就可以在再生区生产钚－239及铀－233，并释放出裂变能。这个再生区又叫混合堆的裂变包层。当然聚变中子也可以使再生区中的锂变成氚，补充氚的消耗。根据这种考虑，早在1953年，美国劳伦斯·利弗莫尔实验室的鲍威尔，就提出了建立聚变－裂变混合堆的建议。正是由于使用聚变产生的中子，有可能比军用生产堆生产出更多的核武器用的钚－239，

4、所以美、前苏联、英聚变研究的早期，是高度保密的。后来看到这种方式一时难以成功，才互相解密，开展了大规模的国际合作。2.混合堆的相对优势次临界安全；比快堆装料少，生产快；比聚变易实现　　快堆和混合堆一样，也是同时生产能量及核燃料的工厂。但和混合堆相比，快堆有3个缺点：第一，要有很大的初始装料，例如120万千瓦的“超凤凰”快堆，要装4吨核燃料；而混合堆不需要投入铀－235或钚－239等核燃料，可以直接用天然铀或核工业中积存下来的贫铀、乏燃料。第二，快堆倍增时间较长，要每过6年甚至30多年，才能增殖出一座相同功率的快堆用的核燃料。因此一座快堆增殖的核燃料除自身消耗外，只能在积累到一定量后，“养活

5、”一座快堆；而混合堆生产的钚－239或铀－233，比相同功率的快堆多几倍到十几倍，因而可以用混合堆来“养活”几倍甚至十几倍于它的相同功率的压水堆或快堆；第三，快堆和压水堆一样，都要求在实现链式反应的状态下运行；而用混合堆生产钚－239或铀－233时，不需要达到实现链式反应的条件，因而有可能更加安全。次临界聚变堆为了获得有益的能量输出（意思是指实现商用），要求聚变产生的能量，远大于为创造实现聚变的条件而消耗的能量，Q＞10。混合堆只要求聚变产生的能量与消耗的能量差不多相等就可以了，for只是利用聚变产生的高能中子，利用这些初始中子（一定能量）发生一系列反应包括裂变反应产生能量。因而要实现商用

6、对聚变的要求比纯聚变堆容易些。3.混合堆的难题　　目前的聚变技术，特别进展得比较快的托卡马克，虽然在个别孤立的指标上达到或接近于为设计混合堆所要求的条件，但是从工程观点来看，这些技术还远没有成熟。建造聚变－裂变混合堆的首要条件，是需要有一个聚变反应室作为堆芯，它能连续而稳定地提供大量廉价的中子。即使不能连续和稳定地运行，至少也应能按照需要周期地运行。而目前的聚变装置，都耗资巨大，虽然有可能在短暂的时间里提供相当数量的中子，却不能连续和稳定，或按照需要周期地运行。专家们估计，不经过30～40年的努力，要建造一个稳定、廉价的聚变中子源是不可能的。对于以磁约束实现聚变的混合堆，从聚变区逸出的离子

7、和中子，会使聚变反应室壁受到严重的辐照损伤。反应室壁受到轰击后溅射出来的杂质，进入等离子体后又会使聚变区温度降低而熄火；对于惯性约束，反应室壁受到的γ射线及离子射线的轰击也很严重。因此研究聚变区内约束等离子和实现聚变的条件，研究等离子体与聚变反应室壁的相互作用，是研制混合堆要解决的问题。由于FW和高温等离子体的相互作用，会使反应室壁发热。目前多希望用锂或锂的化合物来冷却它，以便在冷却反应室壁的同时增殖氘。估计在用锂冷却的