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俄罗斯研制出混合裂变反应堆

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发表于 2021-04-12 00:33 | 显示全部楼层 |阅读模式

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https://mbd.baidu.com/newspage/data/landingsuper?context=%7B%22nid%22%3A%22news_9738657147485967610%22%7D&n_type=0&p_from=1


托木斯克工业大学(TPU)的研究人员与其他俄罗斯科学家合作,已经创建并测试了独特的混合反应堆的聚变组件。他们声称,该系统将结合各种类型反应堆的优势,并且在安全性,经济性和紧凑性方面均表现出色。


正如TPU科学家解释的那样,混合反应堆系统或聚变裂变系统将结合常规裂变反应堆的可靠性与聚变动力的经济性和环境安全性。

这些系统由聚变中子源和核心(称为毯子)组成,在其中发生重核裂变。这种燃料是th和武器级p的混合物。科学家声称th本身并不是一种能源,但会产生铀-233,而且铀在堆芯中的积累会延长燃料循环的持续时间。用with代替常规裂变反应堆中使用的铀238可以大大减少放射性废物的数量。

与使用中子吸收器控制的裂变反应堆相反,毯式混合系统中的燃料状态通过添加来自聚变源的中子来调节。TPU科学家的项目使用了一种气体动态磁阱,该阱将氘和tri保持在高温等离子体状态。

在等离子体中,氘和tri离子相互碰撞并结合形成氦核,释放出高能中子。后者以脉冲模式从真空室供入橡皮布,支撑重核的裂变,从而产生主要能量。混合系统的主要区别在于,核材料不像传统反应堆那样处于严格的临界状态,而是处于接近临界的状态,从而消除了无法控制的连锁反应的可能性。”谢尔盖·贝登科(Sergey Bedenko) TPU核燃料循环司副教授解释说。

根据科学家的说法,裂变产生的能量通过氦热交换器消散。当将燃气轮机和发电机连接在一起时,氦气在加热到730°C左右时,不仅可以产生甲烷,而且还可以利用甲烷的蒸汽转化产生氢气。

正在开发的混合动力反应堆将是紧凑型的,容量约为60-100 MW,并且能够在不重新装载燃料的情况下运行八年以上。根据科学家的说法,这将使其在难以到达的地区使用来产生电力,热量和对环境友好的氢燃料。

他们说,科学家使用的气体动态磁阱可以使高温等离子体的保留时间比其他现有系统更长。这将有助于科学家更好地研究其中发生的聚变过程以及在苛刻的中子辐照下各种反应堆元件的性能,科学家认为这将大大加速聚变能的发展。

“我们进行的研究确定了聚变中子源的最佳参数,以使混合系统的覆盖层始终保持在受控的接近临界状态,并且我们还研究了核裂变后发生的'核裂变波'效应。单脉冲聚变通量,”谢尔盖·贝登科(Sergey Bedenko)说。

混合动力反应堆的core燃料堆芯概念是由托木斯克理工大学,联邦国营单一企业“俄罗斯联邦核中心– Zababakhin全俄罗斯技术物理研究所”和Budker研究所的科学家团队于2019年提出的。俄罗斯科学院西伯利亚分校的核物理。这项研究是在俄罗斯基础研究基金会(No. 19-29-02005)的资助下进行的。

研究结果发表在学术期刊《核工程与技术》上。


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 楼主| 发表于 2021-04-12 00:33 | 显示全部楼层
混合型反应堆由美国人在上世纪六十年代提出概念,但因为极易产生用于核武器的副产品所以没有进入深入研究。中科大一直在进行理论研究,是更容易实现的永久性能源生产方式
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 楼主| 发表于 2021-04-12 00:39 | 显示全部楼层

RE: 俄罗斯研制出混合裂变反应堆

这是 2017年的相关报道


参考消息网7月21日报道

港媒称,中国将在2030年前建设一座能在一个地方实现核聚变和裂变的混合反应堆。


香港《南华早报》网站7月17日援引《科技日报》的报道说,该项目正在一个军事研究设施展开。最近,设在四川的中国工程物理研究院完成了相关概念设计。该院负责研制中国的核武器。
报道称,中国并不是从事聚变-裂变混合反应堆研究的唯一国家。至少在近半个世纪前就有人提出了在同一个反应堆实现核聚变和裂变的想法。俄罗斯、欧洲国家、美国和日本一直在进行相关研究。

报道称,裂变是将原子一分为二,聚变则是使原子二合一。目前,所有商用反应堆采用的都是核裂变方式。
根据著名的爱因斯坦质能方程(E=MC2),这两个过程都能释放大量能量。但这两个方法都不完美。裂变会产生大量放射性废料,而聚变则需要大量能量才能进行并实现可控。
根据最新报道,中国的混合反应堆与其他国家科学家提出的主流设计方案区别不大。

报道称,聚变堆芯由60兆安超强电流提供动力。装有核燃料铀-238的裂变壳包裹在聚变堆芯周围。这种设计具有诸多优点。聚变产生的高速中子能使铀-238发生裂变反应,而由此产生的许多能量又可帮助维持聚变反应,从而大大减少外部能量输入量,实现核燃料的完全燃烧,避免产生放射性废料。

混合反应堆项目副主管黄洪文表示,关键单元技术的实验研究平台将于2020年前后建成,2030年前后建成实验反应堆。
研究团队表示,拟议中的混合反应堆的发电能力可达到现有裂变反应堆的3倍,而且比较安全,因为通过切断外部电源可以立即停止聚变和裂变反应,所以发生灾难的可能性较小。
但有科学家警告说,这个时间表也许过于雄心勃勃。清华大学一名物理学家说:“建设可行的聚变反应堆还是一件遥遥无期的事情,更不要说混合反应堆了。”由于问题很敏感,这名物理学家不愿透露姓名。
他说:“这就像在内燃机发明之前谈论混合动力车一样。如果我们能在50年后建成第一座聚变反应堆,那就算很幸运了。我认为在这之前没法建成混合反应堆。”
报道称,其他一些人则对这项技术比较乐观。长期以来,现代聚变反应堆设计的“教父”叶夫根尼·韦利霍夫教授一直主张建设混合反应堆。
报道称,2012年,他在法国参观国际热核实验反应堆项目时说,混合反应堆可能比较容易建造,部分原因是混合反应堆只需“纯聚变”反应堆外部能量输入量的五分之一就能维持运行。
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 楼主| 发表于 2021-04-12 00:42 | 显示全部楼层

RE: 俄罗斯研制出混合裂变反应堆


聚变裂变混合堆跟快中子堆的思路类似,都是为了有效的利用核废料。简单的说,我们首先用D-T聚变产生14MeV的高能中子。有了这些高能中子,我们就能“燃烧”U238这类通常意义上的核废料。不仅提高燃料经济性,也减少了核废料的排放,可以说是一举两得。————————了解核反应物理的同学应该清楚,一般的裂变堆消耗的是U235这种核素。不幸的是,地球上99.3%的U都是U238。为了达到链式反应的临界浓度,我们需要把U235给分离出来。这么做有两点缺点:第一、分离U235和U238一般依赖于两种核素质量上的微小差异,而这是一件很困难的事情(这也是拥有核武器的国家数量少的原因之一);第二、剩下的U238不仅不能当燃料,而且还需要当作放射性污染物进行特殊处理。好在天无绝人之路,U238不是不能用,只是用起来的要求比较高而已。简单的说,U238可以和高能(>1MeV)中子反应,并增殖生成Pu239。而Pu239的性质和U235类似,是一种很容易利用的核燃料。类似的,高能中子也可以把Th232(核废料)增殖为U233(核燃料)。到这里问题又来了。中子不带电,不能通过电场来加速。所以我们首先要触发D-T核聚变反应,这里的核聚变并不是为了发电,而是为了获得大量的14MeV高能中子。所以,混合堆的主要流程就是:D-T反应获得高能中子->高能中子把U238等核废料增殖为Pu239这样的核燃料->“燃烧”核燃料获取能源。————————快堆(依靠高浓度的Pu239反应产生高能中子增值核燃料)与混合堆的目的都是为了高效利用核废料。与快堆相比,混合堆有以下几个优势:1、增殖比以及增殖速度高2、不受Pu元素的工业储量限制3、裂变部分处于次临界状态,安全性较高不过有优点自然有缺点,混合堆相对快堆较为复杂,工程上没有快堆成熟。实现起来是比较困难的。————————再插一句,问题描述中提到的:建设可行的聚变反应堆还是一件遥遥无期的事情,更不要说混合反应堆了。逻辑上显然是不对的,纯聚变堆需要满足劳森判据才能实现能量净输出,从而实现发电。但混合堆中的聚变部分主要目的不是发电,而是提供高能中子。所以满足劳森判据并不是混合堆必要条件。混合堆实现起来自然是要比纯聚变堆简单的。研究混合堆反而能为以后纯聚变堆的商业化提供技术积累。



2018年的回复和解答相关内容




胡豆
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我来说说这个混合堆是怎么回事。

国家ITER专项支持了两个混合堆项目,一个是概念设计,一个是热工水力设计及材料,我都参与了部分工作。

虽然这个项目的牵头单位是中国工程物理研究院,但它属于民用核能,不涉密,相反,为了扩大影响,应该多宣传才是。所以说一说应该没什么问题。

混合堆这个概念出现得非常早,美国的氢弹之父泰勒在氢弹刚刚实验成功不久,就根据中子物理学实验结果提出用氘氚聚变产生的高能中子轰击铀238去生产钚239了,因为高能中子生产的钚是质量非常好的武器级钚,比用普通反应堆生产钚效率高多了。有一段时间美国积极开展聚变堆研究的目的之一就是想用它来生产武器级钚,因为那时候正是冷战时期,美苏两个核大国都在拼命扩大自己的核武库。这个大概可以看作是混合堆的概念原型。同一时期,中国也开展了相关研究,承担单位就是现在搞聚变硕果累累的合肥等离子体所。

后来冷战结束了,核不扩散成了主流,加上聚变研究进展不顺,美国就不搞混合堆了。不但自己不搞了,还不让别人搞了,曾经一度为此要制裁中国的等离子体所。那阵子国家也中断了对混合堆的支持,等离子体所日子很不好过。但就在那么艰难的情况下,他们也没有中断研究,做出了一些理论模型,更重要的是保留了一支研究队伍。

再后来就是中国工程物理研究院的故事了。大概2005年,彭先觉院士提出了聚变裂变混合能源系统的概念,与之前的混合堆不同,新的概念不做核燃料后处理,不做铀钚分离,也就绕开了核扩散的风险。它以能源生产为目标,成为了裂变核能和聚变核能之间的一个非常理想的过渡选择。

我国一直面临严峻的能源安全问题,国家迫切希望有新的安全可靠的能源供给。聚变裂变混合能源系统能够获得国家的支持,是因为它具有独到的优势:

首先,在物理上,聚变是一个贫能量富中子过程,裂变是一个贫中子富能量过程,将他们混合在一起,刚刚好可以取长补短,共同发挥最大的效用。熟悉ITER等聚变装置的人都清楚,要将磁约束聚变做到能量增益大于一,能够商业发电,需要很大的规模,难度很高。但是如果我们降低规模,不期望用聚变来发电,而是让聚变产生的中子去轰击铀238或钍232组成的次临界裂变包层,让裂变反应去放能,就可以将能量放大好几倍,较小的聚变装置就能够满足商业发电要求,对聚变装置的要求大幅下降,就更容易搞出来了。同时,裂变包层可以产生更多中子,聚变所需的氚自持也更容易满足。第一期概念设计做出来的模型结果非常好,一个混合能源系统,十年不换料,都能够保证聚变,裂变以及氚增殖系统运行良好,能量增益大于10,看起来非常美好。

其次,在工程上,聚变规模的降低使得工程实现更加容易。如果使用磁约束,一个规模远小于ITER的聚变堆就能够撑得起聚变裂变混合能源系统的运行。另外,混合能源系统还可以使用惯性约束聚变中子源,比如中国工程物理研究院擅长的激光惯性约束聚变或者Z箍缩惯性约束聚变。这两条技术路线已经有了相当的技术积累,看起来工程突破似乎近在眼前了。最早做概念设计的时候都是以磁约束聚变作为中子源的,后来中物院似乎将Z箍缩装置作为首选了,毕竟是自己家的。此外,裂变包层处于深次临界状态,没有核爆风险,具有本质安全性。

第三,在资源上,聚变裂变混合能源系统大幅降低了对氚的消耗,也就降低了对锂的资源需求。次临界裂变包层使用天然铀,或者无人问津的钍,价格便宜量又足。我国的资源储量即可支持国家的千年发展大计。

第四,在后处理上,聚变裂变混合能源系统的裂变燃料可以支持十年连续运行,燃耗可达1%,在这之后,通过简单的热处理即可再生,继续服役。不需要铀钚分离就没有了核扩散的风险,剧毒的长寿命核素早在高能中子的轰击下嬗变掉了,后处理问题比传统裂变反应堆更简单。

那有没有问题呢?也不是没有。首先聚变堆规模虽然降低了,但该解决的问题一个没少,还是得一一解决,只是难度比纯聚变要小一些。其次,长期稳定可靠的惯性约束聚变也有很多工程技术问题需要解决,比如最早设计Z箍缩举办要求一秒钟打十发靶丸,也就是产生十次聚变,靶丸就像机枪子弹一样要精确输送到聚变装置中去,很多系统要严格精密配合,稍差一点都会导致聚变失败,对工程精确度和可靠性的要求非常高。第三,现在的次临界包层设计大概是需要1000吨铀十年烧掉百分之一也就是10吨,1000吨铀什么概念,怎么操作,想想都吓人。

另外就算聚变和裂变的技术问题都解决完了,把它们混合在一起也会产生一些现在预料不到的新问题。中科院副院长詹文龙院士曾经说:聚变是一个非常脆弱的东西,裂变是一个非常危险的东西,把一个非常脆弱的东西和一个非常危险的东西放在一起……

言下之意应该是不太看好这种思路。

这样的说法也很有道理,不过就像加速器驱动的次临界能源系统(ADS),钍基熔盐堆,行波堆等先进核能系统一样,在国家有余力支持的情况下多条路探索总是没错的。虽然聚变核能非常美好,但如果它的实现遥遥无期,在此之前用混合堆过渡一下也无不可。
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发表于 2021-04-12 08:43 超大游击队员 | 显示全部楼层
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