热共振聚变堆

摘要

热共振聚变堆，属聚变堆技术领域，是基于热共振聚变原理，采用除了磁约束和惯性约束聚变模式之外的，第三种技术上切实可行的热共振聚变模式的反应堆。其堆芯主容器内设屏蔽层和热共振聚变组件，可同时用多种气体聚变燃料聚变，在普通条件和不太高的温度下，通过起催化作用的镍基或铂基等热共振聚变材料对被其吸附的气体燃料的原子产生强迫热振动，使两个燃料原子间在适当温度等条件下产生尖锐共振，获得足够高的动能而发生聚变反应，并用聚变产物引发另一种聚变反应，成为以可控方式实现的持续核聚变反应，同时使聚变核能的实际安全应用在技术和工程上成为切实可行的。屏蔽层能生产同位素。主要作为小、中和大型能源广泛应用。也可用作中子源。

权利要求

1.一种热共振聚变堆，用增高轻核的动能、密度和束缚时间的技术，并结合量子遂道效应，克服轻核间的库仑位垒，使轻核以可控的方式，实现持续的核聚变反应的装置，其特征是：堆芯主容器内设屏蔽层，屏蔽层内紧密排列布置热共振聚变组件，并且基于热共振聚变原理，用气体型核聚变燃料，能在普通条件和不太高的温度下，通过起催化作用的热共振聚变材料，对被热共振聚变材料吸附的气体核聚变燃料的原子产生强迫热振动，使两个核聚变燃料原子间在适当的温度和普通条件下产生尖锐共振，获得足够高的动能，而发生聚变反应，热共振机制结合量子遂道效应能够大幅度的提高两个相邻热共振核间发生热共振聚变的概率同时也可降低其需要达到的热共振能的较高能量要求，成为以可控方式实现的持续的核聚变反应，同时使聚变核能的实际应用在技术和工程上成为切实可行的；可作为小型、中型和大型能源安全运行和广泛应用的热共振聚变堆。

2.根据权利要求1所述的热共振聚变堆，其特征是：其热共振聚变组件由框架和固定在框架上的热共振聚变材料薄板组成，薄板式热共振聚变器件，平行安装，以利于增加与气体燃料的接触面积、提高抗辐射损伤能力和使气体燃料按需要的模式流动；热共振聚变板的大小、厚度、间隔、数目与位置，根据具体应用不同的要求由相应的计算给定；热共振聚变器件可制成棒、丝、网形状。

3.根据权利要求1所述的热共振聚变堆，其特征是：用热共振聚变材料制成的器件，是热共振聚变堆的关键部件；具有热共振聚变功能的材料，主要有镍基、铂基，根据实际应用中具体的要求和聚变反应类型的不同，由不同的原材料配合制成。

4.根据权利要求1所述的热共振聚变堆，其特征是：其主容器内设屏蔽层，屏蔽层内设热共振聚变组件、加热和探测系统，与堆芯外设置的全堆控制系统配合，用控制主容器内温度的方式，控制该堆的启动、正常运行和停堆；同时能够远程实时控制加料、出料设备和气体储罐系统、回路系统及分离聚变产物系统，通过相连的管道、阀和泵，实现在线加料和分批次的换料、在线分离聚变产物、热量输出，在需要时可以用清洗气体清洗上述通道和系统，供维护、更换器件操作时使用的堆芯系统。

5.根据权利要求1所述的热共振聚变堆，其特征是：其主容器内的屏蔽层、整体的热共振聚变组件、加热和探测系统的结构采用模块化、标准化和系列化方式设计的堆芯结构；各模块间非焊接固定安装和模块整块更换的运行维护模式；主容器顶部和上方设有可开启的盖板和模块装卸机构，用以根据辐照剂量和使用寿命的需要，全部或部分的更换主容器内的模块。

6.根据权利要求1所述的热共振聚变堆，其特征是：堆芯主容器内设置与多种聚变反应相适应的多种热共振聚变材料组件和所需相应的多种聚变燃料，并把前一个聚变反应的产物作为下一个聚变反应的核燃料使用或用于生产同位素，同时实现多种核聚变反应的复合运行模式的堆芯系统。

7.根据权利要求1所述的热共振聚变堆，其特征是：气体型核聚变燃料全部在主容器内，不设一回路及其堆外管道、泵和热交换器，主容器壁与屏蔽层合并设置或分设，用主容器的器壁传导输出热量的热共振聚变堆的堆芯结构，以及气体型核燃料全部在主容器内的简化型热共振聚变堆堆芯、柱形主容器及其器壁型板式热交换器、热共振聚变组件系统、加热和探测装置、气体燃料和乏燃料储存罐及其间燃料输送管道泵阀系统、保温层、聚变产物分离系统、备用气体存储罐、控制系统、更换组件系统、维护、加热和辅助设备和系统、氮气或氦气或二氧化碳气或熔盐冷却剂及相关系统、相容的材料以及热交换器或气轮发电机组的简化型热共振聚变堆的整套系统。

8.根据权利要求1所述的热共振聚变堆，其特征是：在主容器外设置与其连通的一回路及其堆外管道、泵和热交换器，气体型核聚变燃料在主容器和一回路系统内循环，并用气体型核燃料和气体冷却剂的混合气体作为一回路系统的冷却剂，屏蔽层分设或与器壁合并设置，用一回路系统向堆芯外输出热量的热共振聚变堆的堆芯结构，以及用气体型核燃料作为堆芯外一回路冷却剂的普通型热共振聚变堆堆芯、主容器结构、屏蔽层、热共振聚变组件系统、加热和探测装置、多个一回路管道、泵和板式热交换器的紧凑型系统、二回路管道、泵和热交换器、气体燃料和乏燃料储存罐及其间燃料输送管道泵阀系统、保温层、超热蒸汽或氮气或氦气或二氧化碳气或熔盐冷却剂、聚变产物分离系统、备用气体存储罐、控制系统、更换组件系统、维护、加热和辅助设备和系统、相容的材料以及气轮发电机组或热负载的普通型热共振聚变堆的整套系统。

9.根据权利要求1所述的热共振聚变堆，其特征是：作为中子源应用时，其主容器内设置有多个封闭空腔且其开口经过设置在屏蔽层和主容器上的相应通道连接到堆芯外，构成其工作空间和工作通道，空腔的大小可按需要设计和布置，用于放置被辐照物或导出中子；

虽然主要应用中子，而其产生的热能也可开展综合利用以提高总效益。

说明书

热共振聚变堆

技术领域

[0001] 本发明涉及一种聚变堆，尤其是基于热共振聚变原理、能在普通条件和不太高的温度下长期安全稳定的运行，可作为小型、中型和大型能源应用的热共振聚变堆。

背景技术

[0002] 聚变反应堆，简称聚变堆，是指一种能以可控方式实现持续核聚变反应的装置。

[0003] 目前，公知的聚变堆的种类较多。按约束类型，主要有磁约束和惯性约束聚变堆。在建和已经建成的都是聚变堆的实验装置。已经建成的聚变实验装置，惯性约束类目前都未能达到能量得失，即向聚变实验装置输入的能量与聚变反应获得的能量，相当的水平；磁约束类在能量得失相当附近。因此，磁约束和惯性约束聚变堆，距离作为商业能源应用的时间，都还很遥远。

[0004] 磁约束聚变堆的典型代表，是欧盟、中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国合作在法国卡达拉舍，正在建造的国际热核聚变实验堆(ITER)。该计划耗资约50亿美元(1998年值)，历时35年，其中建造阶段10年、运行和开发利用阶段20年、去活化阶段5年。ITER要把上亿度、由氘氘组成的高温等离子体约束在体积达837立方米的磁环中，产生50万千瓦的聚变功率，持续时间达500秒。最终将形成持续的氘氚核聚变反应。其等离子体环在水冷屏蔽包层的环型包套中，屏蔽包层将吸收50万千瓦热功率及氘氚核聚变反应所产生的所有中子。该堆不发电，包层不生产氚，目标是验证和平利用聚变能的科学和技术可行性。其遇到的主要困难有：(1)形成高温高密的等离子体及其长期稳定、低能量损失率的磁约束运行和控制的技术难题，(2)抗强辐射、特殊功能材料难题，(3)系统、结构和技术复杂、难度大致使建造和运行总成本高昂的难题。

[0005] 惯性约束聚变堆的典型代表是美国劳伦斯利弗莫尔实验室的国家点火设施。其用192条激光束聚焦于一个直径为10米的靶室焦点上几毫米的氘-氚靶。激光的能量为180万焦，加热氘-氚靶生成X射线。在高温和辐射的作用下，靶转化为等离子体，且压力不断升高，直至发生聚变。它释放的能量是引发核聚变所需能量的50到100倍。在这种类型的反应堆中，需要相继点燃多个靶目标，才能产生持续的热量供发电。现有的激光束或粒子束所能达到的功率，离实际引发聚变需要的功率还差几十倍、甚至几百倍。加上其他各种技术上的难题，例如电能转换成激光的效率仅有约1％左右，使惯性约束核聚变作为能源应用，仍是可望而不可及的。

[0006] 低能核聚变反应，即冷聚变，在国内外均有实验研究，但其实验结果尚未获得主流科学技术界的承认。

[0007] 世界上运行的磁约束和惯性约束聚变实验装置，虽然采用不同的约束方式，有不同的作用机制，主要用途是作为能源，也可作为中子源等用于科学技术研究。但其未来作为聚变堆建造、运行和维护的成本、使用和获得能源和中子的成本都很高。因此研发一种即能长期安全稳定的运行又能使建造、运行和使用成本很低廉的聚变堆是实际应用中很需要的。

[0008] 轻核发生核聚变反应，如氘和氚(分别简写为D和T)的聚变，必须克服两个轻核间由其所带的正电荷产生的静电排斥力形成的库仑位垒。物理理论中提出的聚变反应机制共有两种：(1)用轻核的动能克服库仑位垒实现轻核聚变反应。磁约束和惯性约束聚变都是用此方法。(2)通过量子遂道效应穿过库仑位垒实现轻核聚变反应。虽然量子遂道效应总是存在的，但通过量子遂道效应穿过库仑位垒的概率，与入射粒子的能量密切相关。低能量入射的轻核，通过量子遂道效应机制实现轻核聚变反应是一个概率极低(普通温度粒子入射，聚变概率约10-50)的无法实际测量到的过程。

[0009] 现在，上述这些磁约束和惯性约束聚变堆遇到的难题，都可以通过热共振聚变堆的应用而得到解决。热共振聚变是，除了磁约束和惯性约束聚变模式之外的，第三种技术上切实可行的核聚变模式，即热共振聚变模式。

[0010] 热共振聚变理论模型的提出，开启一种在较低能量下实现轻核聚变反应的新技术途径。

发明内容

[0011] 为了克服现有的磁约束和惯性约束聚变堆等都存在整体系统和结构复杂、实现技术难度极大、工程建造成本高昂、运行维护昂贵困难、短期内难以作为能源应用的不足，本发明提供一种基于热共振聚变原理、能在普通条件和不太高的温度下长期安全稳定的运行，可作为小型、中型和大型能源应用的热共振聚变堆。该堆也可以构成热共振聚变堆型的聚变堆中子源和用中子进行生产的聚变生产堆。作为中子源，该聚变堆不仅能彻底消除像裂变反应堆发生超临界事故等那样的安全风险，而且能使该类聚变堆中子源的运行维护、使用和获得中子的成本都很低廉。没有像裂变反应堆临界体积的限制，还非常适合小型化，作为小型和微型能源堆应用时获得和使用能量的总成本也很低廉。

[0012] 通过用具有热共振聚变功能的特殊固体材料吸附聚变气体，例如氘和氚，下面以氘为例，被吸附的氘气体使氘核密度提高，被吸附的两个氘原子，即氘原子核之间有热振动，吸附氘的固体中的原子同时也在晶格上热振动，这种热振动也会使氘核做类似的强迫热振动。改变温度，使这两个热振动产生共振。两个相邻氘核间的这种热共振，会使其相向振动的瞬时速度即瞬态能量，可能达到能克服其间库仑位垒的程度或量级，从而引起两个相邻氘核的热共振聚变。热共振+量子遂道效应，即两种效应的结合，能够大幅度的提高两个相邻氘核间发生热共振聚变的概率。也可降低对这种共振能达到的最高能量的要求，即降低对形成这种共振峰的尖锐程度的要求。对于两个相互靠近的轻核，可能引发聚变的量子遂道效应总是存在的。

[0013] 热共振聚变，即在普通条件和不太高的温度下，由热振动的共振引起的两个轻核的聚变。

[0014] 具有热共振聚变功能的特殊固体材料和器件是热共振聚变堆的关键部件，也是热共振聚变堆技术实现的关键。对不同类型的聚变反应，会有相应的热共振聚变功能材料和器件。例如镍基合金、铂基合金等器件。

[0015] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0016] 热共振聚变堆，采用气态核聚变燃料、气态冷却剂、热共振聚变功能组件和屏蔽层，置于主容器内，共同构成堆芯，解决低能条件下轻核聚变的技术难题，不需要磁约束和惯性约束聚变的超高温高压的实现条件及其相关的复杂系统，实现其输入的只是聚变燃料输出的就是热能和无污染聚变产物的运行模式，并同时实现长期安全稳定的正常运行。

[0017] 按所用核聚变燃料不同可分为氘氘、氘氚和氘氦-3反应型。按主容器形状分为球形、棱柱和圆柱形。按输出功率的不同，可分为小型、中型和大型。按结构和应用目标不同，分为简化型和普通型两种。简化型主要用于供暖和供热，普通型主要供电，也都可热电联供及用于科研和同位素生产。小型堆也可用于直接提供机械动力。

[0018] 在低能核聚变工作条件下，从发表的反应堆结构材料实验结果中，都已找到与所用的氘、氚和氦-3核燃料气体或气体冷却剂相容或耐腐蚀的材料，且可供选择的材料较多。具有热共振聚变功能的材料和器件，能确定出合适的配方，技术可行，其性能可满足实际运行的要求。堆芯外系统的技术，整体上都较为成熟。实验堆优选系统为：简化I低温型+316不锈钢主容器+氮气冷却剂+318不锈钢管道泵热交换器等。普通堆优选为：普通III复合型+
316不锈钢主容器一回路管道泵热交换器+氮气冷却剂+318不锈钢管道闭布雷顿动力循环气轮发电机组。

[0019] 热共振聚变堆的堆芯结构简单。其堆芯主容器的形状，除了圆柱形、棱柱形或球形外，也可以是其它形状，可根据实际需要和具体应用条件选择不同的形状。堆芯主容器内，除气态的核聚变燃料和冷却剂、热共振聚变功能组件，根据采用聚变反应的不同类型，例如氘氚反应，布置有不同材料的屏蔽层，以屏蔽产生的不同高能粒子例如中子对器壁和结构材料的辐射损伤外，还布置有加热和探测装置并与控制系统相连接，以保证其长期安全稳定的运行。

[0020] 热共振聚变堆，作为中子源应用时，其主容器屏蔽层内可按需要设置多个空腔并设置有通道连接到堆芯外，以构成其工作空间和工作通道，也可作为中子输出的通道，空腔的大小和位置可按需要设计和布置，用于放置被辐照物或导出中子等。虽然主要应用中子，而其产生的热能也可开展综合利用以提高总效益。也可在设计时就考虑充分利用其多用途性，如热能和中子源联供。

[0021] 作为小型和微型能源应用时，因其没有裂变堆临界体积的限制，输出功率可以做得非常小，能按实际需要的功率大小设计制造，使其应用范围更加广泛。

[0022] 柱形和球形主容器，顶部设有可开启的盖板装置，与其外面相应装卸系统一起，用以较方便的更换模块化设计的内部热共振聚变板组件、加热或探测装置模块等。其外面还设有分离排出气体乏燃料和加料机构、贮罐等。

[0023] 维护、更换堆芯内的器件等需要停堆时，主容器内的核燃料气体要泵出，或用冷却气体或清洗气体加压排出，排出的气体存贮在不同的贮罐中。重新开堆时再输入即可。

[0024] 物理分析和理论计算及实验验证的技术结果都表明，热共振聚变堆从科学原理和工作原理上、技术工艺上、设计研发上、系统整体上、工程建设上和规模产业化上都是可行的。

[0025] 一、热共振聚变堆特点

[0026] 热共振聚变堆除了自身具有的突出优点外，还具有普通聚变堆的优点，也要解决普通聚变堆的一些难题，如强辐射损伤。但这些不利因素对其商业价值的作用和影响不大。

[0027] 1.热共振聚变堆的突出优点：

[0028] 能以可控的方式实现持续的核聚变反应；使聚变核能的应用在技术和工程上成为切实可行的；

[0029] 具有温度调节热共振形成机制，容易控制，能保持在适合发生聚变反应的温度范围内，实现长期安全稳定的运行；

[0030] 正常运行时只需要用氘、氚等轻核，不产生高放射性核废料，不污染环境；

[0031] 不涉及铀浓缩和钚分离问题，具有防核扩散功能；

[0032] 结构简单，建造和运行总成本低，非常适合大规模应用；

[0033] 能实现氘气的核燃烧，核燃料资源无限，彻底解决能源资源不足问题。

[0034] 2.热共振聚变堆的安全分析：

[0035] 热共振聚变堆用温度调节热共振形成的机制，使堆芯温度过高过低时都不能发生聚变反应。通过调节输出的热量控制堆芯温度，保持温度在能正常进行聚变反应的范围内，实现长期安全稳定的运行。

[0036] 没有裂变堆超临界事故、堆芯熔化事故、核燃料泄漏事故和放射性产物的困扰；

[0037] 没有高放射性核废料污染环境和长期处置困难的困扰；

[0038] 聚变核燃料资源无限，没有资源短缺和供应不足的风险；

[0039] 紧急情况下，或堆芯温度超过正常运行温度范围时，热共振形成的机制失效，热共振聚变堆自动停堆，靠自然冷却和热容量吸收非能动的排出。没有过热和爆炸等风险。

[0040] 没有裂变堆衰变余热的困扰；也不会因衰变余热不能及时排出而产生堆芯熔化事故；

[0041] 聚变核燃料及其产物，如氘和氦气等无放射性，泄漏到大气中不会污染环境。综合结果，堆整体的安全性极高。完全可以安装运行在城市内或工业区中。

[0042] 3.热共振聚变堆的经济性分析：

[0043] 热共振聚变堆堆芯结构简单，不需要磁约束和惯性约束聚变堆的复杂昂贵系统、结构、技术和工程建筑及其相关设备设施；

[0044] 不需要为预防核事故，如超临界事故等，的所有保障设施和设备；

[0045] 不产生高放射性核废料，不污染环境，降低环境保护的成本；

[0046] 温度调节热共振形成机制，使运行控制系统简易，成本降低；

[0047] 聚变核燃料资源无限，如氘气等丰富而低价；

[0048] 选址和基建要求低；建设总成本低；

[0049] 控制和实现持续核聚变反应的这种热共振聚变方式，使低成本高效利用聚变核能在技术和工程上成为切实可行的，非常适合大规模推广应用。

[0050] 因而经济性很好，其商业价值很高。

[0051] 二、热共振聚变堆的一些共同选择项：

[0052] 1.聚变反应选择：作为能源应用的聚变反应的要求，易实现，产生热量效率高，负作用低，资源丰富易得。大、中型堆首选为D+T，其次为D+D，再者为D+3He。小型堆，因材料的辐射防护难度大，首选为D+D，其次为D+T，再者为D+3He。而聚变反应T+T，3He+3He，3He+T，D+6Li，p++6Li，3He+6Li，p++11B，以及产氚反应n0+6Li，n0+7Li，因原料丰度低、实现难度大，适合在复合燃料和复合反应的堆型中应用，其中n0表示中子，p+表示质子。

[0053] 2.燃料选型：首选气态型燃料。氘气+氚气。氘气。氘化锂。混合气选为D2+T2+4He。添加的新料为氘气和/或氚气。D+T燃料：现有研究结果认为，D+T燃料是反应截面最大、要求反应温度或能量最低、最容易实现聚变能应用的组合。其聚变反应性的最大值在约70keV或8亿K度处。反应截面表示聚变反应概率，是参与聚变核的速度的函数。反应截面对聚变核速度的平均值称为反应性。反应性与聚变核数密度的积称为反应率，即单位时间单位体积内的聚变反应数。D+T反应性，从室温时的实际上是零，逐渐增加到在10-100keV时的有应用意义的值。D+D燃料：其等离子体在最优温度下的反应性与温度平方的比值为1.28×10-26，比D-24 3 -26+T燃料1.24×10 低两个量级，与D+He的2.24×10 相当。D+D燃料的最优温度值15keV也比D+T的13.6keV高，D+3He的达58keV，其余反应的更高。这些是选择燃料考虑的主要依据。

[0054] 3.燃料循环利用：采用D+T聚变反应，T可在堆内用产生的快中子与锂反应生产，实现T循环和自足供应。大型堆可采用复合聚变模式运行，以充分利用聚变反应产物作为下一3 3
种聚变反应的燃料，如D+D的反应产物T和He可继续D+T，D+ He等反应，提高总体运行效益。
对聚变产生的高能量中子或质子，都应充分利用。如质子与锂-6或硼-11，中子与锂、铀-
238、钍等。

[0055] 4.堆芯内材料的抗辐射方法：D+D和D+T聚变都产生能量高的中子或质子，D+D产生的中子和质子能量为2.45和3.02MeV，D+T产生的中子能量为14.1MeV，对堆内器件材料会造成很大的辐射损伤而使其效能降低或失效。解决办法，一是选用活性低的材料和基础材料，二是用已经申报发明专利的热处理恢复方法(中国发明专利申请号：201410487409.0)处理受辐射损伤器件，部分或全部恢复其材料的原性能。

[0056] 5.堆芯结构及性能：堆芯主容器，有可开启更换组件的顶盖，内设屏蔽层，是耐压容器。屏蔽层内布置热共振聚变组件。热共振聚变组件，采用与固体核燃料热中子堆组件相类似的组件结构，紧密排列布置模式，布满屏蔽层内整个空间。热共振聚变组件由框架和固定在框架上的热共振聚变功能薄板组成。热共振聚变功能器件制成薄板，平行排列，间隔根据具体需求确定，以增加与气体燃料的接触面积、提高抗辐射性能和保持较高的机械强度等性能。及加热和探测装置等，共同组成堆芯。框架等结构材料需要用低活性材料，以延长使用和更换期限。

[0057] 6.冷却剂：主要有气体、熔盐、水蒸汽型冷却剂。不用液体金属，活性高且价格贵。普通堆外冷型：一回路的冷却剂为主容器内的气体核燃料；二回路冷却剂为蒸汽、气体或熔盐。简化堆：主容器器壁传热型的冷却剂为气体、蒸汽或熔盐；内冷型可用气体或熔盐。二回路熔盐可用成熟的低熔点混合盐，如NaF-BeF2熔点340℃，NaF-ZrF4熔点500℃等。气体包括He，N2，CO2，AlCl3等。输出热量的载体气体，首选为氦气，性能可满足运行需要。也可采用复合冷却，即同时用多种冷却剂冷却，如气体、熔盐、蒸汽和水，以提高输出热量效率。聚变反应产物，如氦气等，可用作冷却剂，仅在过量时才需要分离排出。

[0058] 7.堆结构材料耐辐射和腐蚀性：堆芯主容器和管道材料、热交换器、主泵等，高温型首选材料为钼及其高熔点合金，如钛Ti/锆Zr/钼Mo(TZM)合金，耐腐蚀性好。钼或其合金可容许燃料的温度超过1000℃。此外石墨的抗粒子溅射、化学侵蚀性好且耐高温。中低温型可选不锈钢或高镍合金、Hastelloy-N。但简化型的主容器可以承受一定量的表面侵蚀，也可采用定期更换制，以利于使用低价结构材料和提高商业价值及大规模推广应用。低工作温度可用低价的结构材料，可供选择的材料范围也更广。

[0059] 三、简化型热共振聚变堆

[0060] 简化型热共振聚变堆，合并一些部件并放弃一些功能，以降低成本和适应小型化。其主容器可以承受一定量的表面侵蚀，也可实行定期更换，以利于使用低价结构材料。

[0061] 1.简化型堆概念方案小型、棱柱或圆柱形或球形主容器、D+D燃料、组件式热共振器件、堆内自然对流热交换、低功率密度、热共振聚变堆。也可采用D+T燃料，但辐射防护的难度会增加。其核燃料全部在主容器内。屏蔽层与主容器壁合并；也可分设。不设一次回路及其堆外循环管道、热交换器及其主泵。主容器壁传导热量，其器壁可以部分或全部制成板式热交换器，这种器壁型板式热交换器可以是单层或多层，能用于各种形状的主容器如球形、柱形等，以利于提高导热性能。气体He，N2，AlCl3，CO2等或熔盐或蒸汽传输热能到堆芯外。气体燃料和乏燃料储存罐。商用目标供热。

[0062] 2.堆系统组成、整体结构和布局：简化I、II、III型组成：柱形主容器+器壁型板式热交换器或热交换层+热共振聚变组件系统+加热和探测装置+气体燃料和乏燃料储存罐+其间燃料输送管道泵阀+进出料口+保温层+管道热交换器机械泵+备用气体存储罐+控制、更换组件、维护、加热和辅助等设备。结构和布局：主容器内安装热共振聚变组件、加热和探测装置，并充气体燃料。主容器壁是气体或熔盐或蒸汽热交换层，其外围绕保温层。见图1。气体储存罐设在主容器旁，并与其用气体燃料排出阀、输送泵相连接。与气体或熔盐或超热蒸汽热交换层连接的管道、热交换器和机械泵，输出热能。

[0063] 3.简化I型微型、小型。D+D燃料。屏蔽层与主容器壁合并。不产氚。运行温度：约350-750℃。热共振聚变板材料：镍基合金。也可采用其它热共振聚变功能材料。结构材料：
316L不锈钢、Hastelloy-N耐高温700℃。

[0064] 4.简化II型小、中型。屏蔽层与主容器壁合并；也可分设。产氚；也可不产氚。D+D或D+T燃料。运行温度：约400-850℃。热共振聚变板材料：镍基或铂基合金。也可采用其它热共振聚变功能材料。结构材料：316L不锈钢、镍基合金、钼或其高熔点合金。镍合金耐高温900-1000℃。

[0065] 5.简化III型小、中型。屏蔽层与主容器壁分设。产氚。复合型燃料。复合型聚变反应。运行温度：约400-1000℃。热共振聚变板材料：镍基或铂基合金。也可采用其它热共振聚变功能材料。结构材料：316L不锈钢、镍基合金、钼或其高熔点合金耐高温1000-1200℃、石墨1500℃。

[0066] 表1简化型热共振聚变堆系统整体相容材料

[0067]

[0068] 6.系统整体相容材料初步选出几组相容性好的材料，见表1。选择标准是优先选用性能稍差但价格低的材料。简化型的主容器要考虑与气体燃料和冷却剂都相容，管道、主泵和热交换器要与冷却剂相容。实验堆优选系统：简化I低温型堆芯+316不锈钢主容器+N2冷却剂+318不锈钢管道泵热交换器等。

[0069] 四、普通型热共振聚变堆

[0070] 普通型热共振聚变堆的主容器、屏蔽层、一回路管道、主泵和热交换器均可承受一定量的表面侵蚀，也可实行定期更换，以利于使用低价材料。普通I、II、III型，均可在低温、中温、高温运行，需要不同的热共振聚变材料和结构材料。大型普通型热共振聚变堆或集中建造的堆群，可设置共用聚变产物分离净化系统有利于提高效率和减少换料等，也利于采用复合冷却和燃料循环利用等。

[0071] 1.普通型堆概念方案棱柱或圆柱形主容器、屏蔽层、D+D或D+T燃料、热共振聚变组件、加热和探测装置、热共振聚变堆。紧凑型堆芯设计。堆芯外冷却。设二个或多个一回路气体堆外循环管道及其主泵、热交换器。可设二回路减少阻断放射性核素逸出及匹配温度等。气体聚变产物分离系统。气体燃料和乏燃料储存罐。普通低、中温型可采用兰金动力循环汽轮发电机组或布雷顿动力循环。普通中、高温型可采用布雷顿动力循环。金属或碳碳复合物制造的紧凑型板式热交换器。三膨胀段再热氮气或氦气闭布雷顿动力循环气轮发电机组。
氦气总量少且贵。高温型的整个系统的工作温度(约1000℃)匹配很好且热效率高，约54％。
商用目标供电。

[0072] 2.堆系统组成、整体结构和布局：组成：圆柱或棱柱形主容器+屏蔽层+热共振聚变组件系统+加热和探测装置+气体燃料和乏燃料储存罐+其间燃料输送管道泵阀+进出料口+保温层+多个一回路气体堆外循环管道及其主泵、热交换器+二回路屏蔽保护温度匹配(可选)+超热蒸汽或氮气或氦气管道泵热交换器+兰金动力循环汽轮发电机组或布雷顿动力循环气轮发电机组+聚变产物分离系统+备用气体存储罐+控制系统、更换组件系统、维护、加热和辅助等设备和系统。结构和布局：围绕主容器外是保温层，主容器内安装屏蔽层、热共振聚变组件系统、加热和探测装置，并充气体燃料。聚变产物分离系统、气体储存罐设在主容器旁，并与其用气体燃料排出阀、输送泵和管道相连接。多个一回路气体堆外循环管道及其主泵、热交换器与主容器采用紧凑型布局设计，以减少堆芯外燃料气体的储用量。高温型用金属或碳碳复合物制造的紧凑型板式热交换器，并直接连接到三膨胀段再热氮气或氦气闭布雷顿动力循环气轮发电机组。低温型可设二回路温度匹配，再与超热蒸汽热交换器、泵和兰金动力循环汽轮发电机组连接，也可选用高温型的结构布局。中温型优先选择与高温型相同，也可选用低温型的。见图2。

[0073] 3.普通I型小、中型。D+D燃料，屏蔽层与主容器壁合并，不产氚。运行温度：约350-750℃。热共振聚变板材料：镍基合金。也可采用其它热共振聚变功能材料。结构材料：316L不锈钢、镍合金耐高温900-1000℃。

[0074] 4.普通II型中、大型。D+D或D+T燃料。产氚。运行温度：约400-850℃。热共振聚变板材料：镍基或铂基合金。也可采用其它热共振聚变功能材料。结构材料：316L不锈钢、镍合金、钼或其高熔点合金。

[0075] 表2普通型热共振聚变堆系统整体相容材料

[0076]

[0077] 5.普通III型大、中型。复合型燃料。复合型聚变反应。同位素生产。聚变产物综合利用。运行温度：约400-1000℃。热共振聚变板材料：镍基或铂基合金。也可采用其它热共振聚变功能材料。结构材料：316L不锈钢、镍合金、钼或其高熔点合金耐高温1000-1200℃、石墨1500℃。在核燃料循环利用和综合利用方面，采用多种热共振聚变模式和多种聚变产物再利用模式，同位素生产，及气体、熔盐和蒸汽复合热量输出模式，以提高聚变堆整体的热效率和输出功率及效益。这会使堆芯结构变得复杂一些，但仍比磁约束和惯性约束聚变堆的系统和结构简单得多。

[0078] 6.系统整体相容材料初步选出几组相容性好的材料，见表2。优先选用性能稍差但价格低的材料。普通型的主容器、一回路管道和主泵材料要满足与气体燃料相容，热交换器与气体燃料和冷却剂都相容，二回路管道和主泵等与冷却剂相容。普通堆优选系统：普通III型+复合燃料和反应+316L不锈钢主容器一回路管道主泵热交换器+蒸汽或氮气冷却剂+兰金动力循环汽轮发电机组或闭布雷顿动力循环气轮发电机组。选用蒸汽冷却剂，工作温度应低于500℃，堆芯外系统的工作温度和热效率都会降低。温度超过500℃的蒸汽，腐蚀性强。

[0079] 五、热共振聚变堆温度控制启动和停堆方法

[0080] 1.热共振聚变堆的启动方法：温度启动法。启动时，堆芯内加入适当浓度的气体核燃料，用辅助加热装置对主容器内的气体核燃料、热共振聚变组件逐渐加热，达到实现热共振聚变的温度后，热共振聚变堆即开始运行，实现启动并完成启动过程。

[0081] 2.热共振聚变堆的停堆方法：降温停堆法。正常运行的热共振聚变堆，降低气体核燃料的温度，使热共振聚变组件的温度逐渐降低，热共振机制停止，聚变停止，实现停堆。

[0082] 本发明的有益效果是：热共振聚变堆，克服了现有的磁约束和惯性约束聚变堆都存在整体系统和结构复杂、实现技术难度极大、工程建造成本高昂、运行维护昂贵困难、短期内难以作为能源应用的不足，能以可控的方式实现持续的核聚变反应，使聚变核能的应用在技术和工程上成为切实可行的；具有温度调节热共振形成机制，容易控制，能保持在适合聚变的温度范围内，实现长期安全稳定的运行；正常运行时只需要用氘、氚等轻核，核燃料资源丰富而低价，不产生高放射性核废料，不污染环境；不涉及铀浓缩和钚分离问题，具有防核扩散功能；结构简单，建造和运行总成本低，非常适合大规模推广应用，能彻底解决能源资源不足的问题。因此其在能源发展战略中具有极其重要的地位和价值，有巨大的产业发展优势和前景。能实现用聚变核能充分满足人类长期能源需求的同时，解决核燃料资源不足、核安全和低碳发展的问题。还具有彻底改变当前世界能源供应格局的巨大潜力。

[0083] 这些独特性能表明，热共振聚变堆，不需要超高温高压的复杂系统，只需要对该堆输入气体核燃料并在常规条件下，即可实现低成本的长期安全稳定的正常运行，除能源领域外，也有广阔的应用前景和产业发展空间。例如，作为研究堆、实验堆和用于生产同位素的生产堆；作为中子源，开展中子辐照、中子散射等科学研究和试验；能够解决中子应用中的获取难和成本高的难题，为各种应用提供非常廉价的中子，而其产生的热能也可开展综合利用。它作为微型、小型长寿命能源堆应用也有独特优势，除能提供廉价的能源外，没有临界体积的限制，可以满足对最大体积有限制，希望体积越小越好，同时对输出功率要求不高的特殊用途堆的要求。

[0084] 提高热共振聚变功能材料的效率和效益是一个持续改进和完善的过程。以吸附气体核燃料能力强的材料为基础材料，掺入能共同形成尖锐共振的其它一种或多种材料，会有越来越适合应用的热共振聚变功能材料被研发出来。

附图说明

[0085] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0086] 图1是本发明的作为能源应用的简化型热共振聚变堆的结构布局示意图。简化型热共振聚变堆主容器的器壁可以是器壁型板式热交换器，也可以是普通的器壁。所示主容器为棱柱或圆柱形主容器的简化剖面构造示意图。冷却剂可用气体如AlCl3，N2或熔盐等。

[0087] 图2是本发明的作为能源应用的普通型热共振聚变堆的结构布局示意图。所示主容器为棱柱或圆柱形主容器的简化剖面构造示意图。

[0088] 图1中，1.主容器顶盖系统及内部模块装卸装置，2.主容器系统，3.屏蔽层系统，4.冷却剂管道回路系统，5.负载系统，6.泵装置，7.运行控制系统，8.气体聚变燃料贮罐及管道泵和加料控制系统，9.乏气体燃料贮罐及管道泵和出料控制系统，10.气体聚变产物分离及管道泵和控制系统，11.保温层系统，12.热共振聚变组件和加热及探测系统，13.气体聚变燃料。

[0089] 图2中，1.主容器顶盖系统及内部模块装卸装置，2.主容器系统，3.屏蔽层系统，4.一回路冷却剂管道系统，5.热交换器系统，6.主泵装置，7.运行控制系统，8.气体聚变燃料贮罐及管道泵和加料控制系统，9.乏气体燃料贮罐及管道泵和出料控制系统，10.气体聚变产物分离及管道泵和控制系统，11.保温层系统，12.热共振聚变组件和加热及探测系统，13.气体聚变燃料，14.二回路冷却剂管道泵系统，15.负载系统。

具体实施方式

[0090] 建造新反应堆时，要按照对反应堆的具体指标要求并同时按照热共振聚变堆的要求设计建造，才能满足热共振聚变堆的正常运行的特殊性能的要求。实现其优异性能如不需要超高温高压的复杂系统，只需要对该堆输入气体核燃料并在常规条件下，即可实现低成本的长期安全稳定的正常运行。

[0091] 在图1中，气体聚变燃料由气体聚变燃料贮罐及管道泵和加料控制系统(8)进入主容器(2)内，在热共振聚变组件和加热及探测系统(12)作用下发生聚变反应，放出热量并产生聚变产物，聚变产物由气体聚变产物分离及管道泵和控制系统(10)排出，分离出的乏气体燃料经乏气体燃料贮罐及管道泵和出料控制系统(9)排入乏气体燃料贮罐，分离出的气体燃料重新存入气体聚变燃料贮罐，产生的热量由屏蔽层系统(3)和主容器系统(2)合并的系统输出，经冷却剂管道回路系统(4)至负载系统(5)被利用。运行控制系统(7)统一控制全堆并通过加热及探测系统(12)控制反应堆的启动、停堆和正常运行。主容器顶盖系统及内部模块装卸装置(1)用于更换主容器(2)内的热共振聚变组件和加热及探测系统的模块。屏蔽层系统(3)和主容器系统(2)可合并成一个系统，也可设置屏蔽层系统(3)用于生产同位素。

[0092] 在图2中，气体聚变燃料由气体聚变燃料贮罐及管道泵和加料控制系统(8)进入主容器(2)内，在热共振聚变组件和加热及探测系统(12)作用下发生聚变反应，放出热量并产生聚变产物，聚变产物由气体聚变产物分离及管道泵和控制系统(10)排出，分离出的乏气体燃料经乏气体燃料贮罐及管道泵和出料控制系统(9)排入乏气体燃料贮罐，分离出的气体燃料重新存入气体聚变燃料贮罐，产生的热量经过一回路冷却剂管道系统(4)由热交换器系统(5)输出到二回路冷却剂管道泵系统(14)至负载系统(15)被利用。运行控制系统(7)统一控制全堆并通过加热及探测系统(12)控制反应堆的启动、停堆和正常运行。主容器顶盖系统及内部模块装卸装置(1)用于更换主容器(2)内的热共振聚变组件和加热及探测系统的模块。屏蔽层系统(3)用于生产同位素和屏蔽吸收高能量的粒子。