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开展聚变裂变混合发电堆的研究对实现聚变技术的早期应用和满足核能事业可持续发展的重大需求具有重要意义。本文在选用现有或者适当外推技术的聚变堆芯作为次临界包层驱动器的基础上,借助理论分析和数值模拟,基于成熟的裂变堆(压水堆和高温气冷堆)技术对聚变裂变混合堆用来发电开展早期应用进行了性能评估和设计研究,重点开展了包层中子学设计研究及换料方案的优化设计分析,并进一步通过热工水力学设计与分析进行初步的工程可行性分析。
本论文首先在充分调研和分析聚变裂变混合堆的发展现状及中子学设计原理的基础上,提出了基于现实可行技术的聚变裂变混合发电堆(FDS-EM)的包层方案的总体设计思想。具体给出了包层的总体概念及包层设计的目标和原则等。FDS-EM包层主要设计目标是在考虑工程冷却能力限制(PDmax≤100MW/m3)和安全裕度(Keff<1)的条件下,在氚自持的基础上获得～1GWe的电功率(聚变功率为50Mw时,包层能量倍增因子M70～90；聚变功率为150Mw时,M25～30;聚变功率为500Mw时,M7～9),并且尽可能长时间连续运行不换料。
本文使用多功能中子学程序系统VisualBUS和混合评价核数据库系统HENDL,对轻水作为冷却剂以及氦气作为冷却剂的包层设计方案进行中子学数值模拟和性能评估。评估结果表明,使用贫铀或天然铀作裂变燃料用来发电不具吸引力,而核废料(压水堆卸出的废料钚、锕系加上贫铀)作为裂变燃料具吸引力(M可达～100)。
在性能评估的基础上,针对固定聚变功率和固定包层热输出功率两种情况,分别优化给出使用核废料作为裂变燃料,能够满足氚自持条件、能量倍增因子～90等设计目标,且连续运行尽可能长时间(如>10年不换料)的水冷发电包层和气冷发电包层中子学典型方案。
最后根据中子学优化的典型方案给出了FDS-EM水冷包层和气冷包层的结构方案及热工水力学设计与分析进行进一步工程分析。设计中充分考虑了工程可行性,尽可能采用了成熟的压水堆技术和高温气冷堆技术,并给出了典型的热工参数。初步分析结果表明了本文给出的典型轻水作为冷却剂和氦气作为冷却剂的聚变裂变混合堆发电包层设计方案均具工程可行性。