核聚变课程报告

《核聚变理论及其应用》

课程报告

题目：聚变中子的应用

聚变中子的应用

目前最有可能实现的聚变反应是D(氘)T(氚)聚变反应；D(氘)T(氚)聚变反应

会产生大量高能中子，这些高能中子必须使用包层材料来进行屏蔽；包层材料将

中子沉淀在其中，使得离开包层的放射性水平降低到反应堆其它部件和生物可以

接受的水平。另外，包层材料不仅仅起到屏蔽作用，还能充分利用聚变中子与包

层材料发生核反应生成许多有用的物质；比如生产核燃料、生产氚、嬗变核废料等，从而实现聚变中子的充分利用。下文简要介绍了核聚变的基本原理，主要的

几个核聚变反应，包层对聚变中子的利用以及聚变裂变混合堆。

1.1核聚变

1.1.1核聚变原理

实验表明，原子核的质量小于组成它的Z个质子与(A-Z)个中子的质量和，

定义质量亏损：

p n N

Δm=[Zm+(A-Z)m]-m(1.1) 由爱因斯坦质能关系2

E=mc可得，质量可以转化为能量。将2

E=mc

?定义为

原子核的结合能，将

E

A

ε=称为核子平均结合能，它的意义是把原子核的全部核

子彼此分离平均对每个核子所作的功，反应了核子间的结合强弱，图1.1为核子的平均结合能图像[1]：

图1.1 核子平均结合能

从图1.1可以看出，当A小于26(Fe)，轻核变为重核时，或当A大于26，重核变为轻核时，平均结合能都增大；平均结合能增大意味着会放出能量，重核

变分裂为轻核即为核裂变，轻核结合为重核即为核聚变。

1.1.2聚变反应

从获取能量的角度看，核聚变反应主要有：

4

→(1.2) D+T He(3.52MeV)+n(14.06MeV)

34

→(1.3) D+He He(3.67MeV)+p(14.67MeV)

→(1.4) D+D T(1.01MeV)+p(3.03MeV)

3

→(1.5) D+D He(0.82MeV)+n(2.45MeV)

上述四种聚变反应中每个核子平均放出的能量分别为：3.52MeV , 3.67MeV,1.01MeV, 0.82MeV。这些核反应的截面和反应率是不一样的，表1.1反

应了聚变反应率与温度的关系[2]；图1.2为反应截面随粒子能量的变化曲线[1]。(1eV约为11600K)

表1.1聚变反应与温度的关系

图1.2聚变反应截面随粒子能量的变化

从表1.1可以看出，同一温度下，D-T反应率最大。从图1.2可以看出，实

现D-T聚变反应所需粒子能量是最低的，并且D-T聚变反应的反应截面最大，所

以实现D-T聚变的”点火“和持续燃烧比其它反应都更容易，接下来是D+D反应，

它比D+T反应温度要求高一个量级，至于D+3He 则更难以实现。

在地球上，氘的储量非常丰富，海水中含有大量的氘，如果将一升海水中的

氘提取出来进行聚变反应，放出的能量相当于燃烧300升汽油放出的能量；但由

于T的半衰期只有12年，所以自然界中没有天然存在的氚，必须进行人工生产，

生产氚的核反应及其截面为：

64

Li+n T+He+4.8MeV

→(1.6) 74

→(1.7) Li+n(2.5MeV)T+He+n

图1.3 Li的产氚截面

由于Li在地球上储量丰富，并且我国是世界上Li含量最丰富的国家，所以

使用Li来生产氚是可以实现核聚变原料的供给的。

氘氚核聚变只是第一代聚变，优点是相对容易实现，缺点是原料氚自然界不

存在，需要人工生产，另外会产生大量高能中子，这些中子会带来放射性和材料

损伤问题；要解决这些问题，可以使用3

D+He聚变反应使其不产生中子；可以使

用D+D聚变反应解决原料问题，因为海水中含有大量的氘，如果按照目前的能

量消耗，几百亿年也消耗不完，到那时，就能真正实现能量取之不尽用之不竭了。

但3

D+He聚变和D+D实现比D+T聚变困难很多，所以目前来看，最有可能实现

的还是D+T聚变。

1.2聚变中子的利用

1.2.1聚变堆包层

聚变反应(D,T,3He)特点是富中子、贫能量[2]，反应式为

4

(1.8)

D+T He(3.52MeV)+n(14.06MeV)

由该反应可以看出氘氚聚变会产生大量的高能中子，所以聚变反应堆必须要

有包层。聚变堆包层的主要作用是屏蔽中子和生产燃料。由于高能中子会给材料

带来辐照损伤，并且可能会造成次级辐射，所以必须对中子进行屏蔽，使得离开

包层的放射性水平降低到反应堆其它部件和生物可以接受的水平。另外由于氚的

半衰期太短，自然界中没有氚，所以必须要实时的生产氚以供聚变堆使用，而且

生产的氚要大于消耗的氚才能维持聚变反应堆的持续运行。产氚反应为(1.6)和(1.7)。

以国际热核实验堆ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)为例；ITER包层分为屏蔽包层和实验包层[3,6,7]，其中屏蔽包层的主要作用是装置

的辐射防护，在已经完成的ITER-FEAT设计中有较为完善的设计和技术研发。

实验包层模块TBM(Test Blanket Module)主要用于对未来商用示范聚变堆产氚和

能量获取技术进行实验，同时用于对设计工具、程序、数据等的验证和一定程度

上对聚变堆材料进行综合测试。

国际热核聚变实验堆装置图与ITER包层图如下：

图1.4 ITER装置图

图1.5 ITER包层

包层必须要实现生产氚的功能，即在包层材料中必须要有材料锂的存在，现在世界上各国提出了许多商用聚变堆包层的设计，下表为各国提出的包层概念。

表1.2 ITER包层

从上表可以看出，聚变堆包层按氚增值形态分类主要分为固态增值包层和液态增值包层。固态增殖包层的氚增殖剂材料：Li2O 、Li4SiO4、Li2TiO3等；中子倍增剂材料为铍(Be)；冷却剂为氦气和水等；结构材料有铁素体/马氏体钢(RAFM)、钒合金和碳化硅复合材料(SiCf/SiC)等。液态增殖包层氚增殖剂材料：LiPb、Li、FLiBe等；冷却剂为氦气、水和液态增殖剂(如LiPb、Li、FLiBe)等；结构材料同样有RAFM钢、钒合金和SiCf/SiC复合材料等。

设计好包层可以用来对未来商用示范聚变堆产氚和能量获取技术进行实验，同时用于对设计工具、程序、数据等的验证和一定程度上对聚变堆材料进行综合测试。

1.2.2聚变裂变混合堆

我国的能源发展战略[2]为：

化石能源+裂变能→聚变裂变混合堆+裂变堆+化石能源→纯聚变能+可再生能源

从发展战略可以看出，聚变裂变混合堆是我国能源发展战略非常重要的一环，是裂变能到聚变能的过渡；发展聚变裂变混合堆是由于其实现起来比纯聚变堆要容易一点，另外聚变和裂变可以实现互补。

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)。把聚变作为14MeV中子源，然后利用氘氚聚变产生的14MeV的中子进入包层，这个包层可以是一个次临界装置，这个装置可以使用不同的材料，实现不同的功能；聚变-裂变混合堆是一个用聚变中子源驱动的次临界装置按其功能主要分为3种类型：

1.产能堆，以能量输出为主直接用于电力生产

2.增殖堆，主要目的是增殖核燃料为运行的反应堆提供核燃料

3.嬗变堆，主要功能是嬗变反应堆运行所产后的核废物特别是锕系产物

a.产能堆

产能堆是用聚变中子源驱动的次临界裂变反应堆，利用聚变反应产生的中子维持裂变堆的临界状态；

裂变反应为

2

121A A 235

Z 1Z 2U+n X +X +n+200MeV

ν→ (1.9)

在反应中在消耗中子的同时也会产生中子，当消耗的中子与产生的中子一样

时，反应堆达到临界，当消耗小于产生时为超临界，这时裂变反应会越来越多，产生能量越来越多，若不加以控制，会产生危险，当消耗大于产生时为次临界，这时裂变反应会越来越少，直到最终挺下来；如果这时，向反应堆中注入中子，这时，相当于增加了一个中子源，产生增加，就有可能使得产生与消耗相等，维持堆芯临界。

b. 增值堆

现在运行和在建的反应堆大部分为热中子堆，只能以易裂变核素作为燃料如235

U 、239Pu ，然而235U 在天然铀中只占0.7%左右， 资源非常有限，而大量存在的238U 则不能被大部分的反应堆所利用，致使铀资源的利用率非常低。目前发现的易裂变核素储量只能维持几十年的裂变核电厂的原料供给。聚变-裂变增殖堆可以利用聚变产生的中子将自然界大量存在的238U 转化成易裂变的239Pu 或将232Th 转化成易裂变的233U

238

239-239239U(n,γ)U(β,23min)Np(β,2.3d)Pu -→→→ (1.10) 232

233-233-233Th(n,γ)Th(β,22min)Pa(β,27d)U →→→

(1.11)

从而可以极大提高自然界中铀和钍资源的利用率。因此发展聚变-裂变增殖堆可以有效地缓解纯聚变实现之前的能源压力；同时，发展聚变-裂变增殖堆还可为将来纯聚变堆的实现和商用提供技术和工程经验，促进聚变技术的发展，加速纯聚变堆商用的实现。

c. 嬗变堆[4,5]

嬗变是将裂变产物中的高放射性废物进行分离，经过一定处理之后放入一些特殊的反应堆中进行中子辐照，使其嬗变为毒性较小或寿命较短的核素，以消除或减小放射性。

重元素在发生裂变反应后，很多裂变产物都具有放射性，比如(90Sr,137Cs,129I,99Tc)和锕系元素(Pu,Np,Am,Sm)，锕系元素同位素很多，而且半衰期很长，有的长达百万年，所以必须加以处理，否则会留下很大隐患。处理放射性裂变产物的方法是将放射性核素放入反应堆中用中子继续辐照，使其嬗变为短寿命或无放射性的核素，比如：

99

100-100Tc(n,γ)Tc(β)Ru →→ (1.12) 129

130-130I(n,γ)I(β)Xe →→ (1.13) 135

136-136Cs(n,γ)Cs(β)Ba →→

(1.14)

以上三种核反应都将长寿命的裂变产物嬗变为短寿命的核素，实现了对裂变产物的嬗变处理，当然还有很多其它核反应都可以实现裂变产物的嬗变处理。

裂变聚变混合堆不是单独的分为以上三种，而是这三种功能都是裂变聚变混合堆所有；裂变聚变混合堆主要是利用聚变堆产生的中子作为中子源，可以同时实现以上几种功能。聚变驱动次临界堆的多功能工作包层结合了聚变反应和裂变反应中子性能和增殖能量的特点利用聚变中子源实现多种功能如：产生能量、产氚增殖核燃料嬗变核废料等。

参考文献

[1]胡希伟.受控核聚变[M].科学出版社，1981

[2]邱励俭.聚变能及其应用[M].北京：清华大学出版社，2007

[3]冯开明. ITER实验包层计划综述[J]. 核聚变与等离子体物理. 2006.26(3)

[4]朱晓翔,吴宜灿. 长寿命裂变产物在聚变驱动次临界堆包层中嬗变的中

子学优化分析[J]. 核科学与工程. 2004.24(2)

[5]吴宜灿.聚变驱动次临界堆概念设计研究[J].核科学与工

程.2004.24(1):72-78

[6]Feng K .M, Pan C H. Preliminary design for a China ITER test blanket

module [J]. Nucl. Eng. Design , 2005.

[7]Gaincarli .L. Report from the re-established Test Blanket working group

(TBWG) for the period of the ITER Transitional Arrangement (ITA) [R].

2005.