一种气冷堆及其与聚变堆的联合系统

技术领域

本发明涉及反应堆技术领域，具体而言，涉及一种气冷堆，以及气冷堆与聚变堆的联合系统。

背景技术

目前，国内外研究设计气冷堆的主要目的包括核能发电、提供动力与制氢等。气冷堆高能量中子的比例较高，具有比水冷堆更高的堆芯中子泄漏率和更硬的中子能谱，需要更多的燃料装载量、更高的易裂变核素富集度，而且带来更恶劣的中子辐照环境。堆芯泄漏的中子，尤其是能量高于0.1MeV和1.0MeV的快中子，除对反应堆堆内构件、压力容器等设备造成辐照损伤，且随着累积中子注量的增加，将影响这些设备的机械力学性能。从而使得压力容器等关键设备更快老化，极大增加设备脆化、断裂、失效的重大安全风险。同时，气冷堆堆芯泄漏的中子也将增加反应堆外的辐射水平，对外部人员和设备对带来了辐照风险。由此，需要在气冷堆堆芯或堆芯外围设置例如石墨等中子慢化及反射材料，或者在反应堆外部增加屏蔽体的厚度或采用屏蔽性能更强的材料，但这些措施将大大增加气冷堆的体积、质量和造价。若在气冷堆中设置用于产氚的功能组件，可以较好地解决上述问题。

此外，国内外设计的聚变堆与聚变裂变混合堆面临的一个主要难题是氚自持。当前设计和研发的各工程实验型聚变堆或聚变裂变混合堆的氚增殖比(TBR)分析值均在1.2(含)以下，且聚变裂变混合堆普遍比聚变堆更低。实际上，高温状态下的氚可渗透出氚收集系统的屏障，而造成一定比例的损失。同时，当前技术水平下，对氚的收集、纯化和处理也很难达到理论分析和设计的水平。除上述因素外，还要考虑到氚在贮存、处理过程中的损失，因此，工程实际中很难实现真正意义上的“氚自持”。

现有技术CN103578579A公开了一种聚变-裂变次临界能源堆堆芯的装载方案。堆芯结构包括沿环形的等离子体聚变区域的环向设置的若干个燃料组件模块，每个燃料组件模块包括在等离子体聚变区域的极向方向布置的若干个燃料组件，在每个燃料组件朝向等离子体聚变区域的一侧布置一层耐高温、耐辐照的第一壁，在每个燃料组件相对于所述第一壁的另一侧布置产氚包层，在产氚包层外设有外层屏蔽。

现有技术CN103578574A公开了一种聚变-裂变次临界能源堆堆芯产氚包层，包括若干层产氚材料，在相邻的两层产氚材料之间设有慢化剂水，产氚材料与慢化剂水之间设有锆隔板，产氚包层外设有锆包壳。

目前现有技术的设计均不能实现气冷堆较好地产氚效果，增强气冷堆中气体介质的载氚能力，且不能较好地解决聚变堆与聚变裂变混合堆的氚自持难题。

鉴于以上技术问题，特推出本发明。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种气冷堆及其与聚变堆的联合系统，用于使得气冷堆实现较好的产氚效果，增强气冷堆中气体介质的载氚能力，此外通过联合系统还可以解决聚变堆的氚自持难题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提出了一种气冷堆，包括沿气冷堆径向由内到外设置的堆芯、核燃料密封隔离层以及反应堆压力容器，还包括产氚模块系统，产氚模块系统位于堆芯的外围，且位于核燃料密封隔离层和反应堆压力容器之间，产氚模块系统包括氚增殖材料，氚增殖材料与堆芯产生的中子作用产生氚元素。

进一步的，气冷堆包括反应堆冷却剂入口，反应堆冷却剂入口处设置有第一气体加速装置，在第一气体加速装置上设置有气体介质物理参数调节系统。

进一步的，气体介质物理参数调节系统包括多个连接管道和阀组件，第一气体加速装置的进气段壁面上开设有多个孔洞，分别与多个连接管道连通，阀组件设置于多个连接管道上，阀组件包括调节阀、定压逆止阀和/或变压逆止阀。

进一步的，反应堆冷却剂入口分别与堆芯和产氚模块系统连通，气冷堆包括分流板，分流板位于第一气体加速装置与堆芯之间，也位于第一气体加速装置与产氚模块系统之间，分流板将进入堆芯的反应堆冷却剂和进入产氚模块系统中的反应堆冷却剂隔离。

进一步的，产氚模块系统包括产氚模块系统冷却剂进口，产氚模块系统冷却剂进口设置有第二气体加速装置；通过调节分流板与反应堆压力容器之间的空间，调节进入第二气体加速装置的反应堆冷却剂的进气量和参数，进入产氚模块系统的反应堆冷却剂与第二气体加速装置耦合。

进一步的，第一气体加速装置和/或第二气体加速装置具有截面积变化的结构，包括收缩段，或者沿气体流通方向依次连接的收缩段、窄喉段和扩张段，收缩段的截面积沿流通方向由大变小，扩张段的截面积沿流通方向由小变大。

进一步的，产氚模块系统还包括包壳和产氚层组，包壳沿气冷堆的径向间隔布置，产氚层组位于包壳之间，产氚层组包括氚增殖层和/或氚增殖倍增层，氚增殖层和氚增殖倍增层均包括产氚区域，产氚区域包括氚增殖材料。

进一步的，产氚层组还包括氚管道，用于反应堆冷却剂和含氚介质的流通，氚管道沿气冷堆的轴向方向延伸，在氚管道的管壁上开设有多个孔洞，使得氚管道内部与产氚区域流体连通。

进一步的，产氚层组包括沿气冷堆径向布置的第一中子倍增层和氚增殖层，氚增殖层位于第一中子倍增层的外侧，第一中子倍增层包括中子倍增材料，氚管道至少部分位于氚增殖层内。

进一步的，产氚模块系统还包括隔板，产氚层组中不同类型的层之间和/或产氚层组与其他层之间设置有隔板；产氚模块系统还包括防氚渗透层，防氚渗透层与包壳相邻，防氚渗透层包括氧化物和含钛陶瓷，氧化物包括以下物质的一种或几种：Cr

进一步的，产氚模块系统还包括辐照产品生产层，辐照产品生产层的材料包括如下物质的一种或几种：用于生产Pu-238的Np-237及其化合物、用于生产Co-60的Co-59及其化合物；辐照产品生产层的两侧设置有隔板，辐照产品生产层位于氚增殖层的外侧。

进一步的，产氚模块系统还包括第一反射层或第一慢化层，第一反射层或第一慢化层位于辐照产品生产层的外侧，第一反射层或第一慢化层的材料包括如下物质的一种或几种：石墨、等静压石墨、核级石墨、碳化硼、碳化硅、含硼碳化硅、氧化铍或含铍化合物。

进一步的，产氚层组包括氚增殖倍增层，氚增殖倍增层包括中子倍增部和呈圆柱状的氚增殖部，多个氚增殖部均匀布置于中子倍增部内，中子倍增部与氚增殖部的体积比在2:1至8:1的范围内，氚管道在氚增殖部内呈阵列排布。

进一步的，堆芯包括燃料组件，沿气冷堆的轴向方向，燃料组件分为多段，从燃料组件的进气端至出气端，燃料组件的易裂变核素富集度逐段增加。

进一步的，燃料组件沿气冷堆的轴向方向分为3-8段，多段燃料组件采用3-4种不同富集度易裂变核素的燃料。

进一步的，燃料组件包括燃料组件冷却剂流道，燃料组件冷却剂流道上设置有第三气体加速装置，第三气体加速装置采用截面积变化的结构，包括收缩段，或者沿气体流通方向依次连接的收缩段、窄喉段和扩张段。

进一步的，燃料组件整体为圆柱形，沿气冷堆径向方向分为多层，燃料组件冷却剂流道包括层间流道，层间流道为不同层燃料组件之间2mm～20mm的空隙；燃料组件沿气冷堆周向方向还分为多个扇形，使得每层燃料组件具有多个燃料元件，燃料组件冷却剂流道还包括轴向孔道，每个燃料元件沿气冷堆轴向方向具有多个轴向孔道。

进一步的，每个燃料元件上的轴向孔道数量根据如下公式确定：

进一步的，气冷堆为高通量气冷堆或高通量气冷快堆，高通量气冷堆的产氚模块系统的热中子注量率为1.0×10

进一步的，高通量气冷堆和高通量气冷快堆采用铀燃料或铀钍MOX燃料，其中U-235的富集度不低于15％；若采用铀钚MOX燃料、钍钚MOX燃料或铀钍钚MOX燃料，其中Pu-239的富集度不低于10％。

进一步的，核燃料密封隔离层与产氚模块系统之间设置冷却剂流道和/或第二中子倍增层和/或第二反射层和/或第二慢化层；反应堆压力容器与产氚模块系统之间设置冷却剂流道和/或第三中子倍增层和/或第三反射层和/或第三慢化层。

进一步的，核燃料密封隔离层包括金属容器或者围板，还包括固定支撑构件，堆芯与核燃料密封隔离层之间设置中子调节层，中子调节层包括冷却剂流道，和/或第四中子倍增层和/或第四反射层和/或第四慢化层。

进一步的，气冷堆的产氚模块系统的热中子注量率为1.0×10

进一步的，气冷堆和气冷快堆采用铀燃料或铀钍MOX燃料，其中U-235的富集度不低于4.5％；若采用铀钚MOX燃料、钍钚MOX燃料或铀钍钚MOX燃料，其中Pu-239的富集度不低于5％。

应用本发明的以上技术方案，至少实现了如下有益效果：

1、气冷堆中通过在堆芯外围设置产氚模块系统以生产氚元素，可以解决气冷堆高堆芯中子泄漏对反应堆部件及外部人员和设备的辐照危害，并可减小气冷堆反射层、慢化层以及外部屏蔽体厚度。

2、气冷堆中通过在反应堆冷却剂入口处设置第一气体加速装置，可以提升气冷堆内气体介质流动速率，而增强气体介质循环速度和效率，通过设置气体介质物理参数调节系统，可以根据反应堆不同运行情况，如不同运行功率下，调节改变第一气体加速装置进气段气体介质的压强和流速等参数，从而实现反应堆冷却效率和氚载带效率的自动调节。

3、气冷堆通过在产氚模块系统冷却剂进口处设置第二气体加速装置，能够提升产氚模块系统内含氚介质的流动速率，使进入产氚模块系统不同结构层的气体介质的流速、压强、密度不同，从而增强气体介质载带氚的能力和效率，同时产生的超声波动可清除沉积和附着在流道管壁及产氚模块系统内的氚，从而降低氚的沉降和吸附损失。

4、气冷堆通过设置分流板，以分流进入堆芯的气体冷却剂与进入产氚模块系统系统的气体介质，使进入产氚模块系统后高氚气体介质不混入堆芯冷却剂，维持堆芯冷却剂系统中气体介质的氚放射性水平；并分别调节进入不同系统的气体介质参数，使得进入产氚模块系统的反应堆冷却剂与第二气体加速装置耦合，增强产氚模块系统中气体介质载带氚的能力。

5、气冷堆的产氚模块系统通过设计中子倍增层、氚增殖层的结构或者氚增殖倍增层的结构，使得产氚模块系统能够较好地实现中子倍增以及产生氚元素的功能，并且在产氚模块系统中设计氚管道的位置和结构，可以加强氚在产氚模块系统中的转移能力和效率。

6、通过在高通量气冷堆或高通量气冷快堆中设计燃料组件沿轴向分为多段，并采用不同富集度易裂变核素的燃料，通过温差与压差使堆芯和燃料组件中的流道气体流速增加，提升堆芯冷却效率，同时展平燃料组件轴向功率分布，提升堆芯安全。

7、在高通量气冷堆或高通量气冷快堆中通过设计燃料组件冷却剂流道的形状，在燃料组件冷却剂流道中设计第三气体加速装置，以进一步增加冷却剂气体流速，增强对燃料的冷却效率，从而实现在高中子注量以及高温条件下的产氚能力。

为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提出了一种气冷堆与聚变堆的联合系统，包括聚变堆，还包括气冷堆，聚变堆包括各种以氚和/或氦-3为聚变燃料的聚变堆以及聚变-裂变混合堆；联合系统还包括氚提供系统，氚提供系统与气冷堆连接，也和聚变堆连接，气冷堆生产氚，通过氚提供系统为聚变堆提供氚燃料和/或氦-3燃料。

进一步的，氚提供系统包括依次连接的氚收集系统、氚处理和贮存系统、氚燃料补充系统，氚收集系统与气冷堆连通，氚燃料补充系统与聚变堆连通。

进一步的，氚处理和贮存系统包括：氚提取系统、氚纯化和分离系统、氚贮存系统和氚监测系统；氚监测系统与氚提取系统、氚纯化和分离系统和氚贮存系统均关联，对各系统中的设备及设施进行监测。

进一步的，氚收集系统包括：氚净化系统、氚分流系统、气体冷却和氚转化/催化系统；氚燃料补充系统包括：加料预处理系统和氚注射系统。

进一步的，氚收集系统的输入与气冷堆的产氚模块系统连通，产氚模块系统中的反应堆冷却剂和含氚介质进入氚提供系统。

进一步的，氚收集系统的输入与气冷堆的堆芯连通，堆芯中的反应堆冷却剂进入氚提供系统，经过分离净化除氚后的反应堆冷却剂返回气冷堆中重复使用。

进一步的，联合系统还包括裂变燃料双向供给系统，包括第一核燃料供给系统和第二核燃料供给系统，气冷堆通过第一核燃料供给系统向聚变堆提供以下物质的一种或几种：贫化铀、Th-232、U-238和Pu-239初始燃料。

进一步的，聚变堆通过第二核燃料供给系统向气冷堆提供Pu-239和/或U-233。

应用本发明的以上技术方案，至少实现了如下有益效果：

1、本联合系统通过设置氚提供系统，将气冷堆产生的氚经过氚提供系统中进行收集、处理、贮存和运输等步骤，可以向聚变堆或聚变裂变混合堆提供氚燃料和/或氦-3燃料，以解决聚变堆与聚变裂变混合堆的氚自持和燃料补充难题。

2、本联合系统通过设置裂变燃料双向供给系统，使得联合系统内部的气冷堆和聚变堆能够互相提供核燃料，达到气冷堆与聚变堆联合共生的目标，增加了裂变燃料利用率，降低总放射性废物，增强了联合系统的经济性。

3、本联合系统通过设置氚收集系统的输入与气冷堆的产氚模块系统和堆芯均连通，当不需要对堆芯冷却剂进行氚提取或氚净化时，可以仅开启产氚模块系统与氚收集系统的连通，且经过分离净化除氚后的反应堆冷却剂可返回气冷堆中重复使用，提高了经济性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了实施例1的气冷堆主体结构的纵向截面示意图；

图2示出了实施例1的气冷堆的横截面示意图；

图3示出了实施例1的气冷堆的横截面具体结构示意图；

图4示出了实施例1的气冷堆的产氚模块系统纵向截面示意图；

图5示出了实施例2的气冷堆的横截面具体结构示意图；

图6示出了实施例3的气冷堆的横截面具体结构示意图；

图7示出了实施例4的气冷堆与聚变堆的联合系统示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、堆芯；11、燃料组件；12、第三气体加速装置；13、燃料元件；2、中子调节层；3、核燃料密封隔离层；

4、产氚模块系统；41、第二气体加速装置；42、包壳；43、第一中子倍增层；44、氚增殖层；45、氚增殖倍增层；451、中子倍增部；452、氚增殖部；46、氚管道；47、隔板；48、第一慢化层；49、辐照产品生产层；

5、反应堆压力容器；6、第一气体加速装置；61、气体介质物理参数调节系统；62、连接管道；7、分流板；

8、氚提供系统；81、氚收集系统；82、氚处理和贮存系统；821、氚提取系统；822、氚纯化和分离系统；823、氚贮存系统；83、氚燃料补充系统；

9、裂变燃料双向供给系统；91、第一核燃料供给系统；92、第二核燃料供给系统；

100、气冷堆；200、聚变堆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。术语“包括”在使用时表明存在特征，但不排除存在或增加一个或多个其它特征；术语“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本申请提出的气冷堆中设置产氚模块系统，使得气冷堆具有产生氚元素的功能。

与其他堆型相比较，气冷堆产氚具有三大物理特性优势。第一，气冷堆具有高堆芯中子泄漏率的物理特性，通过在气冷堆堆芯外围设置产氚模块系统，利用堆芯泄漏的中子与产氚模块系统中氚增殖材料作用生产氚元素，同时利用其材料的高中子反应截面降低压力容器等关键设备的中子辐照损伤和反应堆外辐射水平，将无附加价值的原石墨反射层替换为具有价值的产氚模块系统，并可减小气冷堆反射层、慢化层以及外部屏蔽体厚度。第二，气冷堆反应堆内的温度高，一般超过400～800℃，有利于氚在产氚模块系统中的释放和扩散，具备极好的氚在线提取条件。第三，气冷堆气体冷却剂具有良好的氚载带能力，气体冷却剂物理化学性质稳定(如He)且与氚物理化学性质区别大(如二氧化碳)，易于氚的分离和纯化。

实施例1：

本发明提出了一种气冷堆，如图2所示，包括沿气冷堆径向由内到外设置的堆芯1、核燃料密封隔离层3以及反应堆压力容器5，还包括产氚模块系统4，产氚模块系统4位于堆芯1的外围，且位于核燃料密封隔离层3和反应堆压力容器5之间，产氚模块系统4包括氚增殖材料，氚增殖材料与堆芯1产生的中子作用产生氚元素。其中，核燃料密封隔离层3包括金属容器或围板，还包括固定支撑构件。

气冷堆中通过在堆芯外围设置产氚模块系统4以生产氚元素，可以解决气冷堆高堆芯中子泄漏对反应堆部件及外部人员和设备的辐照危害，并可减小气冷堆反射层、慢化层以及外部屏蔽体厚度。

如图1所示，气冷堆包括反应堆冷却剂入口，在反应堆冷却剂入口处设置有第一气体加速装置6，在第一气体加速装置6上设置有气体介质物理参数调节系统61。

第一气体加速装置6具有截面积变化的结构，不限于截面积变化的管状结构，或者板状结构等。包括沿气体流通方向依次连接的收缩段、窄喉段和扩张段，收缩段的截面积沿流通方向由大变小，扩张段的截面积沿流通方向由小变大。优选地，第一气体加速装置6具有利用伯努利原理及相关物理学原理设计的拉瓦尔喷管或者与其类似的结构。此外，在其他实施例中，第一气体加速装置6可以仅包括其中的收缩段，也可以起到将气体加速的作用。

具体来说，气体介质物理参数调节系统61包括多个连接管道62和阀组件，第一气体加速装置6的进气段壁面上开设有多个孔洞，分别与多个连接管道62连通，阀组件设置于多个连接管道62上，阀组件包括但不限于调节阀、定压逆止阀和变压逆止阀中的一种或多种，不同的连接管道62上可能设置不同的阀。

气冷堆中通过在反应堆冷却剂入口处设置第一气体加速装置，可以提升气冷堆内气体介质流动速率，而增强气体介质循环速度和效率；通过设置气体介质物理参数调节系统，可以根据反应堆不同运行情况，如不同运行功率下，调节改变第一气体加速装置进气段气体介质的压强和流速等参数，从而实现反应堆冷却效率和氚载带效率的自动调节。

如图1所示，反应堆冷却剂入口分别与堆芯1和产氚模块系统4连通，气冷堆100包括分流板7，分流板7位于第一气体加速装置6与堆芯1之间，也位于第一气体加速装置6与产氚模块系统4之间，气冷堆通过设置分流板，以隔离进入堆芯的气体冷却剂与进入产氚模块系统的气体介质，使进入产氚模块系统后高氚气体介质不混入堆芯冷却剂，并维持堆芯冷却剂系统中气体介质的氚放射性水平。

此外，在本实施例中，通过分流板7可以分别调节进入堆芯1和产氚模块系统4中的反应堆冷却剂的气体参数。

如图4所示，产氚模块系统4包括产氚模块系统冷却剂进口，反应堆冷却剂经过分流板分流后一部分通过产氚模块系统冷却剂进口流入产氚模块系统4中。产氚模块系统冷却剂进口处设置有第二气体加速装置41。

第二气体加速装置41具有截面积变化的结构，不限于截面积变化的管状结构，或者板状结构等。包括沿气体流通方向依次连接的收缩段、窄喉段和扩张段，收缩段的截面积沿流通方向由大变小，扩张段的截面积沿流通方向由小变大。优选地，第二气体加速装置41具有利用伯努利原理及相关物理学原理设计的拉瓦尔喷管或者与其类似的结构。此外，在其他实施例中，第二气体加速装置41可以仅包括其中的收缩段，也可以起到将气体加速的作用。

如图1所示，优选地，分流板7与第一气体加速装置6连接，可通过调节分流板7与第一气体加速装置6结合处开口大小控制气流流量。之后，根据通过第一气体加速装置6后的气体介质参数范围，通过调节分流板7与反应堆压力容器5之间的空间体积等参数，进一步调节分别进入堆芯和产氚模块系统的冷却剂进气量和参数。经过第一气体加速装置6和分流板7先后进行气体参数的调节，可以使得进入产氚模块系统4的反应堆冷却剂与第二气体加速装置41耦合，从而增强产氚模块系统中气体介质载带氚的能力。

下面将详细介绍本实施例中产氚模块系统4的具体结构：

如图3所示，产氚模块系统4包括包壳42和产氚层组，包壳42沿气冷堆100的径向间隔布置，包壳42位于产氚模块系统沿反应堆径向的最外层，产氚层组位于包壳42之间。产氚层组至少包括氚增殖层44和氚增殖倍增层45中的一种，其中氚增殖层44和氚增殖倍增层45均包括产氚区域，产氚区域中包括氚增殖材料。

产氚层组中还可以设置第一中子倍增层43，第一中子倍增层43包括中子倍增材料。第一中子倍增层43可以与氚增殖层44和氚增殖倍增层45中的任意一种或者两种共同配置。优选地，在产氚层组中仅有氚增殖层44时，同时设置第一中子倍增层43。

结合图3和图4所示，产氚层组还包括氚管道46，用于反应堆冷却剂和含氚介质的流通，氚管道46沿气冷堆100的轴向方向延伸，在氚管道46的管壁上开设有多个孔洞，使得氚管道46内部与产氚区域流体连通。

氚管道46为单层或者多层管道。优选地，氚管道46为多层管道，图4中展示为两层管道，在多层管道的任意一层或者任意多层管道管壁上开设有多个孔洞。进一步优选的，沿氚管道46的延伸方向上，氚管道上任意相邻两层管道管壁上的孔洞位置互相错开。产氚模块系统通过设置氚管道为多层并在管壁上开设孔洞，以及设置孔洞的位置，使得氚元素更容易从产氚模块系统中释放和扩散到氚管道中。

进一步的，氚管道46与第二气体加速装置41连通，使得进入氚管道的气体介质流速大大增加。能够提升产氚模块系统4内含氚介质的流动速率，使进入产氚模块系统4不同结构层的气体介质的流速、压强、密度不同，从而增强气体介质载带氚的能力和效率。同时产生的超声波动可清除沉积和附着在流道管壁及产氚模块系统4内的氚，从而降低氚的沉降和吸附损失。此外，第二气体加速装置41与管壁上的孔洞互相配合，使得氚管道46从外部到内层气流速率逐层增加、压力逐层降低，从而进一步增强氚向氚管道中释放和扩散的效率。

结合图3和图4所示，在本实施例中，产氚层组包括沿气冷堆径向布置的第一中子倍增层43和氚增殖层44，氚增殖层44位于第一中子倍增层43的外侧，氚管道46的至少部分位于氚增殖层44内。

产氚模块系统4还包括隔板47，产氚层组中不同类型的层之间设置有隔板47，产氚层组与其他层之间也可以设置有隔板47。

在其他一些实施例中，产氚层组包括第一循环结构，第一循环结构中，沿反应堆径向布置的第一中子倍增层43和氚增殖层44多次循环，产氚层组中不同的层之间均可设置隔板47。这种循环结构可以增强产氚模块系统对中子的利用率。

产氚模块系统4还包括防氚渗透层，防氚渗透层与包壳42相邻，采用涂层或低渗透结构，防氚渗透层包括氧化物和含钛陶瓷，这里的氧化物包括以下物质的一种或几种：Cr

包壳材料包括但不限于如下物质的一种或几种：奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体钢、钒合金、锆合金、铜合金、钛合金。优选的，包壳厚度为5mm-30mm。

产氚模块系统4还包括辐照产品生产层49，辐照产品生产层49的材料包括如下物质的一种或几种：用于生产Pu-238的Np-237及其化合物、用于生产Co-60的Co-59及其化合物；辐照产品生产层49的两侧设置有隔板47，辐照产品生产层49位于氚增殖层44的外侧。对于有辐照产品生产要求的其他实施例，辐照产品生产层49也可以位于氚增殖层44的其他位置，包括沿气冷堆径向方向的内侧或者环向侧面。

产氚模块系统4还包括第一反射层或第一慢化层48，第一反射层或第一慢化层48位于辐照产品生产层49的外侧，第一反射层或第一慢化层48的材料包括如下物质的一种或几种：石墨、等静压石墨、核级石墨、碳化硼、碳化硅、含硼碳化硅、氧化铍或含铍化合物。此处设置反射层可以反射中子，提升中子利用率，以增加产氚量。

在其他一些实施例中，辐照产品生产层49也可置于第一中子倍增层、氚增殖层、氚增殖倍增层、第一慢化层或第一反射层的任意两层之间，辐照产品生产层与其他层之间均设置隔板。

综上所述，优选地，在本实施例中，产氚模块系统包括沿反应堆径向由内到外依次布置的包壳42、防氚渗透层、第一中子倍增层43、隔板47、氚增殖层44、隔板47、辐照产品生产层49、隔板47、第一反射层或第一慢化层48、防氚渗透层、包壳42。

具体来说，第一中子倍增层43和氚增殖层44均采用球床中填充材料球的结构。其中第一中子倍增层包括中子倍增材料球，中子倍增材料球中具有中子倍增材料，中子倍增材料包括铍及含铍化合物，例如铍、BeO或含铍陶瓷。

氚增殖层44包括氚增殖材料球，氚增殖材料球中具有氚增殖材料，氚增殖材料包括以下物质中的一种或几种的混合：Li

中子倍增材料球、氚增殖材料球的直径为0.1mm-10mm，填充率为40％-80％。优选地，直径为0.2mm-2mm，填充率为50％-70％，实现中子倍增和氚增殖的效果更好。

优选地，氚增殖材料中Li-6的富集度为7.5％-90％，Li-7的富集度为10％-92.5％，Li-6与Li-7的富集度合计100％。将Li-7的富集度为50％-92.5％的氚增殖材料布置在靠近反应堆堆芯的位置，将Li-6的富集度为50％-90％的氚增殖材料布置在远离堆芯的位置。

利用靠近堆芯位置的硬中子能谱中比例更高的能量大于1.0MeV的快中子与Li-7反应产氚(Li-7与能量为2.47MeV的快中子作用截面大)，通过前面材料层对中子的慢化，使中子能谱“软化”提升低能和热中子的比例，使其与Li-6的产氚率增加，最终降低增殖材料制造成本，并提高产氚率。

产氚模块系统还包括冷却剂通道，与氚管道的功能类似，用于反应堆冷却剂和/或含氚介质的流通，冷却剂通道设置于产氚模块系统中各层之间的空隙、和/或包壳和/或隔板内部。

优选地，包壳和/或隔板的厚度大于1mm，若包壳和/或隔板中设置冷却剂管道，具有冷却剂通道的包壳和/或隔板的厚度大于3mm。

产氚模块系统在周向上可以完全，也可以部分包围在堆芯的外围，堆芯外围可以包括多个相同或者不同结构的产氚模块系统，多个产氚模块系统可以均匀或不均匀布置在360°角度范围、或者间隔一定角度均匀或不均匀布置在堆芯外围的部分角度范围内。

产氚模块系统形状包括如下形状中的一种或者多种的组合：360°整体空心圆环柱状、1°～359°角度内的空心弧形柱状、圆柱、多棱柱、梯形横截面柱状、扇面横截面柱状、立方体。

本申请中产氚模块系统沿反应堆径向的厚度为1cm-100cm。工程优选的，产氚模块系统厚度为15cm-60cm。

优选地，如图3所示，产氚模块系统的形状为圆环柱状，在周向上完全包围在反应堆堆芯的外围。产氚模块系统在周向上由多个产氚子模块无缝隙拼接而成，产氚子模块的数量在4-24个的范围内。即产氚子模块的形状为15°～90°角度的扇面横截面柱状。

进一步优选地，如图3所示，相邻的产氚子模块之间设置隔板，以防止相邻的产氚子模块材料直接接触。氚管道在氚增殖层中沿周向环绕堆芯一圈，在每个产氚子模块中设置2-6个氚管道。

本产氚模块系统通过设置周向上完全包围在反应堆外围，并由一定数量的产氚子模块拼接而成，使得反应堆实现最大的产氚效果，且当一部分产氚子模块出现问题时，方便对其进行置换，从而保障反应堆产氚的稳定性。

如图1所示，堆芯1包括燃料组件11，沿气冷堆的轴向方向，燃料组件11分为多段，从燃料组件11的进气端至出气端，燃料组件11的易裂变核素富集度逐段增加。通过温差与压差使堆芯和燃料组件中的流道气体流速增加，提升堆芯冷却效率，同时展平燃料组件轴向功率分布，提升堆芯安全。

优选地，燃料组件11沿气冷堆100的轴向方向分为3-8段，多段燃料组件11采用3-4种不同富集度易裂变核素的燃料。

优选地，燃料组件11包括燃料组件冷却剂流道，燃料组件冷却剂流道上设置有第三气体加速装置12，第三气体加速装置12采用与第一气体加速装置6和第二气体加速装置41类似的结构，采用截面积变化结构，包括收缩段，或者沿气体流通方向依次连接的收缩段、窄喉段和扩张段。优选地，可采用拉瓦尔喷管结构。在燃料组件冷却剂流道中设计第三气体加速装置，以进一步增加冷却剂气体流速，增强对燃料的冷却效率。

需要注意的是，以上燃料组件分段以及设置第三气体加速装置12的方案更加适用于高通量气冷堆或高通量气冷快堆，对于其他类型的气冷堆可不采用。

核燃料密封隔离层3与产氚模块系统4之间可设置冷却剂流道和/或第二中子倍增层和/或第二反射层和/或第二慢化层；反应堆压力容器5与产氚模块系统4之间可设置冷却剂流道和/或第三中子倍增层和/或第三反射层和/或第三慢化层。

核燃料密封隔离层3包括金属容器或者围板，还包括固定支撑构件。如图2所示，堆芯1与核燃料密封隔离层3之间设置中子调节层2，中子调节层2包括冷却剂流道，和/或第四中子倍增层和/或第四反射层和/或第四慢化层。

对于一般的气冷堆，中子调节层2中设置第四中子倍增层。对于冷快堆，可将气冷堆中子调节层2中设置为第四慢化层。

气冷堆的产氚模块系统4的热中子注量率为1.0×10

反应堆冷却剂为气体，冷却气体包括：氦气(He)等惰性气体，或二氧化碳(CO

燃料元件形状包括：球形、柱状、板状、块状、十字板形、弧形板状、空心柱状。柱状燃料元件横截面形状包括：圆形、正多边形(如正方形、正六边形、正八边形等)。空心柱状燃料元件横截面内边和外边形状包括：圆形、正多边形(如正方形、正六边形、正八边形等)，内边和外边为同一形状或不同形状。

堆芯燃料为含铀、钍、钚的物质，包括：AO

气冷堆和气冷快堆采用铀燃料或铀钍MOX燃料，其中U-235的富集度不低于4.5％；若采用铀钚MOX燃料、钍钚MOX燃料或铀钍钚MOX燃料，其中Pu-239的富集度不低于5％。

实施例2：

本实施例中的气冷堆结构与实施例1中的气冷堆结构基本相同，所不同之处在于：产氚模块系统4的结构不同。如图5所示，实施例2中的产氚模块系统由包壳42以及包壳之间的氚增殖倍增层45组成。还可以设置与包壳42相邻的防氚渗透层。

具体来说，本实施例中的产氚层组包括氚增殖倍增层45，氚增殖倍增层45包括中子倍增部451和呈圆柱状的氚增殖部452，多个氚增殖部452均匀布置于中子倍增部451内，使得每个氚增殖部452内的中子注量处于相同数量级水平。优选地，在呈圆柱状的氚增殖部452外围设置有隔板47，以将中子倍增部451和氚增殖部452的材料隔开。中子倍增部451与氚增殖部452的体积比在2:1至8:1的范围内，氚管道46在氚增殖部452内呈阵列排布。

优选地，每个产氚子模块中的氚增殖部452的数量不超过6个，如图5所示为3个。使得氚增殖部452内的所有位置处的材料与最近的氚管道46的距离差不超过氚增殖部452直径的50％，从而有利于氚元素在氚增殖部452中的释放和扩散。

在其他一些实施例中，产氚层组包括第二循环结构，在第二循环结构中，沿反应堆径向布置的第一中子倍增层43、氚增殖层44和氚增殖倍增层45多次循环。不同的层之间可以设置隔板47。其中，第一中子倍增层43、氚增殖层44的形状结构参见实施例1。这种循环结构对于反应堆内中子的利用率较高。

在其他一些实施例中，产氚层组可以设置为氚增殖倍增层45与第一中子倍增层43的结合。

具体来说，氚增殖倍增层45可以设置为中子倍增材料球和氚增殖材料球的混合。氚增殖倍增层45也可以包括氚增殖倍增材料球，氚增殖倍增材料球的球心部分具有氚增殖材料，氚增殖倍增材料球的球壳部分具有中子倍增材料。

若氚增殖倍增层45为中子倍增材料球和氚增殖材料球的混合，中子倍增材料球与氚增殖材料球比例在2：1～8：1范围内。中子倍增材料球、氚增殖材料球或者氚增殖倍增材料球的直径为0.1mm-10mm，填充率为40％-80％。优选地，选取直径为0.2mm-2mm，填充率为50％-70％。中子倍增和氚增殖的效果较好。

需要注意的是，本实施例记载的氚增殖倍增层45的结构仅为优选，氚增殖倍增层45的结构不限于图5中记载的形式。例如氚增殖部452的截面形状可以为其他形状，或者氚增殖倍增层45中仅包括氚增殖倍增材料球。

在本实施例中，优选地，不设置辐照产品生产层49。同时，利用中子倍增部451作为中子反射层，产氚模块系统中可不设置第一反射层或第一慢化层48。从而大大简化了产氚模块系统的结构。

此外，为兼顾同位素生产，可将不超过总数量二分之一的氚增殖部452内材料填充为同位素生产材料。

在其他一些实施例中，也可以在本实施例记载的产氚模块系统中设置辐照产品生产层49或者第一反射层或第一慢化层48。

总之，从以上的描述中，可以看出，实施例1和实施例2至少实现了如下技术效果：

1、气冷堆中通过在堆芯外围设置产氚模块系统以生产氚元素，可以解决气冷堆高堆芯中子泄漏对反应堆部件及外部人员和设备的辐照危害，并可减小气冷堆反射层、慢化层以及外部屏蔽体厚度。

2、气冷堆中通过在反应堆冷却剂入口处设置第一气体加速装置，可以提升气冷堆内气体介质流动速率，而增强气体介质循环速度和效率，通过设置气体介质物理参数调节系统，可以根据反应堆不同运行情况，如不同运行功率下，调节改变第一气体加速装置进气段气体介质的压强和流速等参数，从而实现反应堆冷却效率和氚载带效率的自动调节。

3、气冷堆通过在产氚模块系统冷却剂进口处设置第二气体加速装置，能够提升产氚模块系统内含氚介质的流动速率，使进入产氚模块系统不同结构层的气体介质的流速、压强、密度不同，从而增强气体介质载带氚的能力和效率，同时产生的超声波动可清除沉积和附着在流道管壁及产氚模块系统内的氚，从而降低氚的沉降和吸附损失。

4、气冷堆通过设置分流板，以分流进入堆芯的气体冷却剂与进入产氚模块系统系统的气体介质，使进入产氚模块系统后高氚气体介质不混入堆芯冷却剂，维持堆芯冷却剂系统中气体介质的氚放射性水平；并分别调节进入不同系统的气体介质参数，使得进入产氚模块系统的反应堆冷却剂与第二气体加速装置耦合，增强产氚模块系统中气体介质载带氚的能力。

5、气冷堆的产氚模块系统通过设计中子倍增层、氚增殖层的结构或者氚增殖倍增层的结构，使得产氚模块系统能够较好地实现中子倍增以及产生氚元素的功能，并且在产氚模块系统中设计氚管道的位置和结构，可以加强氚在产氚模块系统中的转移能力和效率。

实施例3：

本实施例中的气冷堆结构与实施例1和实施例2中的气冷堆结构基本相同，如图6所示，这里以与实施例1的产氚模块系统4基本相同的气冷堆为例。所不同之处在于：本实施例的气冷堆为高通量气冷堆或高通量气冷快堆。

具体来说，为进一步提高产氚模块系统处的中子注量率，优选此处堆芯1采用紧凑型阵列排放的弧形柱状燃料元件。对于高通量气冷堆，可在中子调节层2中设置冷却剂通道。对于高通量气冷快堆，可以在中子调节层2中设置冷却剂通道，并设置第四慢化层或者第四反射层。

进一步的，对于高通量气冷堆和高通量气冷快堆，堆芯采用U-235的富集度不低于15％铀燃料，或U-235的富集度0.3％、Pu-239的富集度不低于10％的MOX燃料。

结合图1所示，如图1所示，堆芯1包括燃料组件11，沿气冷堆的轴向方向，燃料组件11分为多段，从燃料组件11的进气端至出气端，燃料组件11的易裂变核素富集度逐段增加。

优选地，燃料组件11沿气冷堆100的轴向方向分为3-8段，多段燃料组件11采用3-4种不同富集度易裂变核素的燃料。

通过在高通量气冷堆或高通量气冷快堆中设计燃料组件沿轴向分为多段，并采用不同富集度易裂变核素的燃料，通过温差与压差使堆芯和燃料组件中的流道气体流速增加，提升堆芯冷却效率，同时展平燃料组件轴向功率分布，提升堆芯安全。

优选地，燃料组件11包括燃料组件冷却剂流道，燃料组件冷却剂流道上设置有第三气体加速装置12，第三气体加速装置12采用与第一气体加速装置6和第二气体加速装置41类似的结构，优选地，可采用拉瓦尔喷管结构。在燃料组件冷却剂流道中设计第三气体加速装置，以进一步增加冷却剂气体流速，增强对燃料的冷却效率。

如图6所示，燃料组件11整体为圆柱形，包括多个燃料元件13。沿气冷堆径向方向分为多层，燃料组件冷却剂流道包括层间流道，层间流道为不同层的燃料组件11之间2mm～20mm的空隙。

此外，燃料组件11沿气冷堆100周向方向还分为多个扇形，每个扇形的角度可不相同，使得每层燃料组件11均具有多个燃料元件13。燃料组件冷却剂流道还包括轴向孔道，每个燃料元件13沿气冷堆100轴向方向具有多个轴向孔道。

具体来说，如图6所示，每个燃料元件13上的轴向孔道数量根据如下公式确定：

在高通量气冷堆或高通量气冷快堆中通过设计燃料组件冷却剂流道的形状，以及在燃料组件冷却剂流道中设计第三气体加速装置，以进一步增加冷却剂气体流速，增强对燃料的冷却效率，从而实现高通量气冷堆或高通量气冷快堆中，在高中子注量以及高温条件下的产氚能力。

高通量气冷堆的产氚模块系统4的热中子注量率为1.0×10

总之，从以上的描述中，可以看出，本实施例还至少实现了如下技术效果：

1、通过在高通量气冷堆或高通量气冷快堆中设计燃料组件沿轴向分为多段，并采用不同富集度易裂变核素的燃料，通过温差与压差使堆芯和燃料组件中的流道气体流速增加，提升堆芯冷却效率，同时展平燃料组件轴向功率分布，提升堆芯安全。

2、在高通量气冷堆或高通量气冷快堆中通过设计燃料组件冷却剂流道的形状，在燃料组件冷却剂流道中设计第三气体加速装置，以进一步增加冷却剂气体流速，增强对燃料的冷却效率，从而实现在高中子注量以及高温条件下的产氚能力。

3、通过在气冷堆中设置第一气体加速装置、设置堆芯和燃料组件中的冷却剂流道以及第三气体加速装置等技术保障了堆芯高效冷却能力，控制了气冷堆燃料和堆内构件材料的温度，从而得以实现了高通量气冷堆技术。

实施例4：

在实施例1、实施例2和实施例3的基础上，本实施例进一步提出了一种气冷堆与聚变堆的联合系统，如图7所示，其包括前述实施例1、实施例2或实施例3中任意一种气冷堆100，还包括聚变堆200。

需要注意的是，本申请中提及的聚变堆200包括一切以氚和/或氦-3(He-3)为聚变燃料的聚变堆以及聚变-裂变混合堆。

联合系统还包括氚提供系统8，氚提供系统8与气冷堆100连接，也和聚变堆200连接，气冷堆100生产氚，为聚变堆200提供氚燃料和/或氦-3燃料。

本联合系统通过设置氚提供系统，将气冷堆产生的氚经过氚提供系统中进行收集、处理、贮存和运输等步骤，可以向聚变堆或聚变-裂变混合堆提供作为燃料的氚和/或氦-3，以解决聚变堆与聚变-裂变混合堆的氚自持和燃料补充难题。

具体来说，氚提供系统8包括依次连接的氚收集系统81、氚处理和贮存系统82、氚燃料补充系统83，氚收集系统81与气冷堆100连通，氚燃料补充系统83与聚变堆200连通。

氚处理和贮存系统82则包括：氚提取系统821、氚纯化和分离系统822、氚贮存系统823和氚监测系统；氚监测系统与氚提取系统821、氚纯化和分离系统822和氚贮存系统823均关联，对各系统的设备及设施进行监测。

此处的“关联”是指，氚监测系统中的设备与氚处理和贮存系统82中各个子系统的待监测设备之间具有物理连接、无线通讯连接或者数据传输连接等方式，从而实现不同的监测功能。

氚收集系统81包括：氚净化系统、氚分流系统、气体冷却和氚转化/催化系统；氚燃料补充系统83包括：加料预处理系统和氚注射系统，氚注射系统与聚变堆200连通。加料预处理系统将氚燃料和氦-3燃料分离后，由氚注射系统分别注入到聚变堆200中。

如图7所示，氚收集系统81的输入与气冷堆100的产氚模块系统4连通，产氚模块系统4中的反应堆冷却剂和含氚介质进入氚提供系统8。

进一步的，氚收集系统81的输入与气冷堆100的堆芯1连通，堆芯1中的反应堆冷却剂进入氚提供系统8，经过分离净化除氚后的反应堆冷却剂返回气冷堆100中重复使用。

本联合系统通过设置氚收集系统的输入与气冷堆的产氚模块系统和堆芯均连通，当不需要对堆芯冷却剂进行氚提取或氚净化时，可以仅开启产氚模块系统与氚收集系统的连通，且经过分离净化除氚后的反应堆冷却剂可返回气冷堆中重复使用，提高了经济性。

本联合系统还包括裂变燃料双向供给系统9，包括第一核燃料供给系统91和第二核燃料供给系统92，通过裂变燃料双向供给系统9，气冷堆100与聚变堆200互相提供核燃料。此处的核燃料可能包括裂变燃料、转换燃料或者聚变燃料等。

具体来说，气冷堆100通过第一核燃料供给系统91向聚变堆200提供以下物质的一种或几种：贫化铀、Th-232、U-238和Pu-239初始燃料。这些物质可能被用作聚变堆的转换燃料或者聚变-裂变混合堆的裂变材料等。

聚变堆200通过第二核燃料供给系统92向气冷堆100提供Pu-239和/或U-233。这里的Pu-239用作气冷堆的MOX燃料。

具体来说，第一核燃料供给系统91包括依次连通的乏燃料接收和溶解单元、乏燃料及同位素分离和纯化单元、核素提取单元、聚变堆或混合堆核燃料制造单元。

第二核燃料供给系统92包括依次连通的核燃料包层接收和解体单元、包层剪切分解单元、核素分离和纯化单元、气冷堆核燃料制造单元。

第一核燃料供给系统91和第二核燃料供给系统92均还包括放射性废物处理贮存单元和氚富集单元，放射性废物处理贮存单元产生的高含氚废液和废气以及氚富集单元中的氚输送至氚收集系统或氚处理和贮存系统中。

本联合系统通过设置裂变燃料双向供给系统，使得联合系统内部的气冷堆和聚变堆能够互相提供核燃料，达到气冷堆与聚变堆或聚变裂变混合堆共生的目标，增加了裂变燃料利用率，降低总放射性废物，增强了联合系统的经济性。

总之，从以上的描述中，可以看出，本实施例至少实现如下技术效果：

1、本联合系统通过设置氚提供系统，将气冷堆产生的氚经过氚提供系统中进行收集、处理、贮存和运输等步骤，可以向聚变堆或聚变裂变混合堆提供氚燃料和/或氦-3燃料，以解决聚变堆与聚变裂变混合堆的氚自持和燃料补充难题。

2、本联合系统通过设置裂变燃料双向供给系统，使得联合系统内部的气冷堆和聚变堆能够互相提供核燃料，达到气冷堆与聚变堆或聚变裂变混合堆共生的目标，增加了裂变燃料利用率，降低总放射性废物，增强了联合系统的经济性。

3、本联合系统通过设置氚收集系统的输入与气冷堆的产氚模块系统和堆芯均连通，当不需要对堆芯冷却剂进行氚提取或氚净化时，可以仅开启产氚模块系统与氚收集系统的连通，且经过分离净化除氚后的反应堆冷却剂可返回气冷堆中重复使用，提高了经济性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。