聚变中子源驱动的次临界核能系统.doc

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1、聚变中子源驱动的次临界核能系统──聚变能技术的早期应用途径摘要提出作为聚变能技术早期应用途径的聚变中子源驱动的清洁核能系统概念，并从国家的能源需求、国内外核电发展状况论述开发这种系统的必要性和意义，根据国内外聚变驱动器技术及次临界包层技术进展和国内多年的可行性研究结果说明开发这种系统的现实性和基础。文中也给出了建议的发展进程。关键词清洁，核能，次临界，聚变，中子源，包层学科分类号TL原子能技术能源是发展国民经济的动力,是提高人民生活的物质基础,随着国民经济的发展和人民生活水平的提高,能源预测研究表明：在下世纪

2、纯聚变能商业应用之前，中国将存在严重的能源短缺，而且也人们将会越来越认识到能源结构的不合理性。裂变核能的大规模发展将是一个不可缺少的阶段，但由此引起的核资源短缺、放射性核废料处理及核扩散等问题必须解决。本文在国家“863”计划项目、国家自然科学基金项目和中国科学院基金项目等支持的研究工作的基础上建议发展聚变中子源驱动的次临界清洁核能系统以满足我国大规模发展裂变核能的需要，同时也作为推动永久清洁能源──纯聚变能商用化技术发展的重要台阶。文中首先对建议的次临界清洁核能系统作简要介绍，然后于第3节简单陈述发展这种系

3、统的的必要性和重要意义，并举例说明其潜在应用，于第4节分别说明聚变中子源驱动器技术和次临界包层技术基础。第5节给出建议的发展进程和首先研究的关键技术。第6节是本文的基本结论。1什么是次临界清洁核能系统通常的裂变核反应堆靠自持链式裂变反应维持在临界状态下运行，这样一方面尽管反应堆可以设计得非常安全，但还是存在着发生超临界事故的潜在危险性；另一方面，为维持临界状态，对核燃料的中子吸收（或增殖）性能要求很严格，因而核燃料的燃耗不可能很深，而且对堆内材料成份要求也很严。次临界核能系统由于靠外中子源驱动而运行在次临界状

4、态下，次临界度可设计得很深，无发生超临界事故的可能，而且可在系统中加入中子吸收材料来利用过剩的中子，如用于嬗变处理长寿命核废料、生产核燃料、生产氚及材料辐照实验等。原则上，这种次临界核能系统可由聚变中子源、高能质子散裂中子源或特别设计的裂变中子源来驱动。关于对不同驱动中子源的比较，国内外有许多学者作过研究[1-7],这里不做介绍。在国家“863”计划、国家自然科学基金和中国科学院基金等支持下中科院等离子体物理研究所及国内有关单位对这种系统的不同方面做过深入研究，本文在此基础上建议发展一种安全、有效而且现实的聚

5、变中子源驱动的次临界清洁核能系统。这里建议的聚变中子源驱动的次临界清洁核能系统是根据聚变反应是富中子、贫能量(14MeV/次)，而裂变反应恰好是贫中子、富能量(200MeV/次)的特点，利用外源中子进入到一个叫包层的次临界系统，在研究各种核材料（核燃料/结构材料/冷却剂/中子增殖剂/氚增殖剂等）的中子学性能和其他技术性能的基础上，优化安排包层,利用天然铀和钍作燃料,实现下列四项功能：(1)生产核燃料，供给裂变核电站用；(2)处理核废料，“燃烧”裂变核电站乏燃料中的高放核废料；(3)增殖能量，以供热和发电；(4

6、)生产氚,一方面维持聚变驱动器堆芯聚变反应所需的氚，另一方面如有必要也可也可用在军用及民用的其他方面（氚的自然半衰期为12年）。这种系统系统其实就是一种多功能的聚变裂变混合反应堆，它对等离子体聚变驱动器的参数水平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。2发展清洁核能系统的必要性和意义现时中国能源消耗的特点是人均消费水平低，产值能耗高，且以煤为主。根据实现社会主义现代化经济建设分三步走的战目标，到2050按人均国产总值达4000美元计，届时我国人口达15亿，电力需

7、求相当于每年40亿吨左右标准煤，且应大大减少煤电占总电力的比例。这时、除了应积极开发太阳能、凤能、潮汐能及生物能等再生能源外，核能是公认的唯一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。一座百千瓦核裂变电站每年约可代替300万吨标准煤，并每年可减少约1千万吨二氧化碳、20万吨二氧化硫和3万吨二氧化氮的气体排放量。如若建设3亿千瓦(占预测2050年总电力需求的25%)的核裂变电站每年约可替代10亿吨标准煤，而且不会有二氧化碳造成的温室效应及二氧化硫和氮化物对大气的污染。根据IAEA截止到1994年的统计

8、，世界上已有30多个国家和地区建成了437座核电，装机容量为3.6亿千瓦，核电约占总发电量的23.2％,其中法国是75.3％、比利时35.8％、韩国35.5％、日本30.7％、德国29.3％、英国25.8％、美国22.0％、俄罗斯11.4％，而中国大陆目前核电仅占总发电量的1％左右。由次可见，核电在中国应该是可以大有可为的。为了填补我国21世纪中能源的缺口，对核能发展规模要求是十分巨大。到2050年