核聚變燃料的氚,是如何儲存和注入的?

首先氚是一種極其珍貴的同位素。不會進行長期保存。

自然界本身存在的氚一般是地表核大氣中所存在的本底氚,主要來源:

(1)大氣中的氮、氧吸收高能宇宙射線中的中子和質子而生成;

2)地表中鋰元素髮生(n,α)反應生成的氚。

丰度極低,絕對數量及其稀少。

整個地球天然氚的總量約 1.3E18 Bq

說Bq可能大家沒什麼概念。

折算約為3.6kg。

並且主要都是以氧化物形式存在水環境中。

因此,天然氚無法加以提取利用,核反應所需要的氚全部為人工方法得到。

那麼大家認為是不是人工可以得到,就很常見就產量很大?

商業用氚主要從CANDU堆中的重水提取出來,全世界範圍內現有的38座CANDU型重水堆,每年總產量只有數千克,並且價格昂貴(30000-36000美元/g)。

氚的半衰期約為12.3年,如果進行長期儲存的話,意味著每年約有5.47%的氚發生β衰變生成He-3。

以上背景意味著氚的大量,長期貯存不可能實現。

一個1GW聚變功率每年將消耗大約55.6kg的氚。

ITER在整個堆內的氚滯留量約為3kg左右,意味著每年會衰變掉160g左右的氚,是一筆非常大不可忽視的損失。

我國目前只有秦山三期兩座CANDU 6型機組,累計產氚能力約為260g/年。

看一下ITER的燃料循環。

核聚變燃料的氚,是如何儲存和注入的?

通過包層內的鋰材料球床,氘氚反應產生的聚變中子經過慢化,倍增最終被鋰材料吸收生成氚,從而實現氚的增殖。經過包層而增殖的氚經過輔助系統提取,淨化和分離等一系列步驟,再次送入堆芯。同時堆芯中氘氚反應的燃燒並不夠充分,未燃燒的部分會通過偏濾器排出後經過一系列處理同樣送回到堆芯進行燃燒。

聚變堆真空室內隨著核反應的進行,氘和氚逐漸消耗,He-4和氫氣等雜質氣體會不斷產生並積累,這些會導致等離子體降溫,所以必須不斷的從真空室內取出“燃燒”過得氣體,這個過程叫做“排灰”過程,同時需要通過加料系統向堆芯補充1:1高純度氘氚氣體。

而對於注入反應堆的氘氚燃料。氚的燃燒率非常低,ITER只有0.3%,所以排除的氣體中仍然含有大量的氘氚燃料,所以必須回收氘氚加以循環利用。

聚變堆加料主要有兩種方式:彈丸注入和氣體注入。

彈丸注入為主要的加料方式,具有比較高的加料效率(

95%),而氣體注入的加料效率只有1%左右。

彈丸注入

彈丸注入是將燃料氣體通過低溫技術冷凝成固態彈丸後,高速注入到等離子體中實現加料,獲得更高的加料效率。彈丸的製造是應用氣-固相變的原理:當某氣體被降溫至其三相點溫度以下,其壓力又高於該溫度下的固相蒸汽壓,則氣體被低溫凝華成固體。利用液氦製冷器將核聚變燃料氣體低溫快速凝華成固體,通過氣動推進加速抑或轉盤離心加速,使彈丸以極其快的速度(最高可到幾千米/秒)注入到等離子體中,實現等離子體芯部加料。

核聚變燃料的氚,是如何儲存和注入的?

總之,氘氚是直接通過彈丸注入系統給送進堆芯併發生反應。

其實簡單點理解也就是環形線圈裡。

希望可以提供一些幫助。


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