一种气冷堆与聚变堆的联合系统

技术领域

本发明涉及一种反应堆联合系统，具体而言，涉及一种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”。

目前还没有可持续稳定为聚变堆或聚变裂变混合堆提供氚和氦-3等聚变燃料的的装置及系统，也没有可实现气冷裂变反应堆与聚变堆(聚变裂变混合堆)间相互提供(聚变和裂变)燃料的联合系统。

现有技术CN114171233A公开了一种反应堆在线产氚与氚回收的装置，装置由辐照产氚单元、在线氚提取单元、尾气净化与氚应急回收单元和氚监测单元组成；辐照产氚单元安装于反应堆堆芯，通过载气管道与在线氚提取单元连接。该装置适用于各种反应堆，能够快速、高效的进行在线产氚与氚回收。该技术方案并未针对气冷堆进行设计，且并未解决聚变堆的氚自持难题。

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与聚变堆的联合系统，用于解决聚变堆的氚自持和燃料补充难题，同时实现气冷堆与聚变堆互相之间提供核燃料，以增加燃料利用率，提高经济性。

为了实现上述目的，本发明提出了一种气冷堆与聚变堆的联合系统，包括气冷堆和聚变堆；氚燃料提供系统，与气冷堆和聚变堆均连接，气冷堆产生氚元素并将具有氚元素的冷却剂及气体介质通入氚燃料提供系统中，得到氚和/或氦-3燃料，并将氚燃料和/或氦-3燃料输送至聚变堆；裂变燃料双向供给系统，与气冷堆和聚变堆均连接，通过裂变燃料双向供给系统，气冷堆与聚变堆互相提供核燃料；聚变堆包括各种以氚和/或氦-3为聚变燃料的聚变堆或聚变裂变混合堆。

进一步的，氚燃料提供系统包括依次连接的氚收集系统、氚处理贮存系统和氚补充系统，氚收集系统与气冷堆连接，氚补充系统与聚变堆连接。

进一步的，氚处理贮存系统包括：氚提取子系统、氚纯化分离子系统、氚贮存子系统和氚监测子系统；氚监测子系统与氚提取子系统、氚纯化分离子系统和氚贮存子系统均关联，对各子系统设备及设施进行监测。

进一步的，氚收集系统包括：氚净化子系统、氚分流子系统、气体冷却及氚转化/催化子系统，氚净化子系统与气冷堆连通。

进一步的，氚补充系统包括加料预处理单元和氚注射单元，氚注射单元与聚变堆连通。

进一步的，裂变燃料双向供给系统包括与气冷堆和聚变堆均连接的第一核燃料及同位素后处理系统，通过第一核燃料及同位素后处理系统，气冷堆向聚变堆提供以下物质的一种或几种：Th-232、U-238、Pu-239初始燃料。

进一步的，裂变燃料双向供给系统还包括与气冷堆和聚变堆均连接的第二核燃料及同位素后处理系统，通过第二核燃料及同位素后处理系统，聚变堆向气冷堆提供Pu-239和/或U-233。

进一步的，第一核燃料及同位素后处理系统包括依次连通的乏燃料接收及溶解单元、乏燃料及同位素分离纯化单元、核素提取单元、聚变堆核燃料制造单元，乏燃料接收及溶解单元与气冷堆连接，聚变堆核燃料制造单元与聚变堆连接。

进一步的，第二核燃料及同位素后处理系统包括依次连通的核燃料包层接收解体单元、包层剪切分解单元、核素分离纯化单元、气冷堆核燃料制造单元，核燃料包层接收解体单元与聚变堆连接，气冷堆核燃料制造单元与气冷堆连接。

进一步的，第一核燃料及同位素后处理系统和第二核燃料及同位素后处理系统均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含氚物质输送至氚收集系统和/或氚处理贮存系统中。

进一步的，气冷堆包括产氚模块系统和堆芯，产氚模块系统设置于堆芯的外围，产氚模块系统包括氚增殖材料，与堆芯的中子作用产生氚元素。

进一步的，氚净化子系统的输入端与产氚模块系统连通，或者氚净化子系统的输入端分别与产氚模块系统和堆芯连通。

进一步的，氚净化子系统包括依次连通的粉尘气溶胶过滤单元、放射性惰性气体过滤单元和碘过滤单元，粉尘气溶胶过滤单元具有玻璃纤维、化纤纤维或气凝胶，放射性惰性气体过滤单元具有碳、石墨或石墨烯基材的纳米微孔吸附材料，碘过滤单元具有碘吸附器，用于去除载氚气体介质中的放射性碘同位素。

进一步的，气体冷却及氚转化/催化子系统包括气体介质冷却及氚催化单元，、氚分流子系统包括气液分离及液态氚收集单元，气体介质冷却及氚催化单元具有温度调节设备并与氚净化子系统输出端连通，气体介质冷却及氚催化单元输出端与气液分离及液态氚收集单元连通，将气体介质中的氚催化氧化为氚化水并对气体介质进行冷却，气液分离及液态氚收集单元具有气液分离器，分离出氚化水和包含气态氚的气体介质。

进一步的，氚提取子系统包括氚物态转化单元；氚纯化分离子系统包括氚分离纯化单元。

进一步的，氚贮存子系统包括液态氚贮存单元和气体氚贮存单元。

进一步的，液态氚贮存单元和氚分离纯化单元均与气液分离及液态氚收集单元输出端连通，氚化水进入液态氚贮存单元，气体介质和气态氚进入氚分离纯化单元，氚分离纯化单元具有离心净化设备，将气体介质中的气态氚分离纯化出来。

进一步的，氚分离纯化单元与气冷堆连通，气冷堆中的部分气体介质直接进入氚分离纯化单元，经过分离净化除氚后的气体介质进入气冷堆的冷却剂系统中重复使用。

进一步的，氚物态转化单元位于液态氚贮存单元和氚分离纯化单元之间，氚物态转化单元包括电解设备，将液态氚贮存单元中的氚化水电离分解形成气态氚，并将包含气态氚的气体介质导入氚分离纯化单元。

进一步的，气体氚贮存单元与氚分离纯化单元连通，气体氚贮存单元具有泡沫钯或钯基质吸附器，吸附气态氚进行贮存。

进一步的，气体氚贮存单元与加料预处理单元连通，加料预处理单元具有物理参数调节设备，对气态氚和/或氦-3的物理特性参数进行调节；加料预处理单元还包括分离氚和氦-3的设备，分离后为聚变堆分别提供氚燃料和氦-3燃料。

进一步的，氚贮存子系统还包括依次连通的氚液态催化转化单元、氚固化单元、固态氚加工贮存单元、氚固化物处理单元、氚脱缚单元，氚液态催化转化单元的输入端与气体氚贮存单元连通。

进一步的，氚液态催化转化单元具有电加热器和拉瓦尔雾化喷管，将气体氚贮存单元中过量的气态氚转化为液态氚后雾化为纳米液体颗粒。

进一步的，氚固化单元具有分子反应床或微分子反应床，将纳米液体颗粒与微纳米镁颗粒催化固化形成氚化镁粉颗粒，氚化镁粉颗粒在固态氚加工贮存单元中加工为块状并贮存。

进一步的，氚固化物处理单元具有粉碎设备，将块状氚化镁处理为氚化镁粉颗粒，氚脱缚单元具有水解设备，将氚化镁粉颗粒水解，氚脱缚单元的输出端与氚物态转化单元连通。

应用本发明的技术方案，至少实现了如下有益效果：

1、本申请的联合系统通过设置氚提供系统，并设计氚提供系统的具体组成和结构，气冷堆产生的氚经过在氚提供系统中进行收集、处理、贮存和运输等步骤，可以得到氚燃料和/或氦-3燃料，并向聚变堆提供，以解决聚变堆的氚自持和燃料补充难题。

2、本申请的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，提升环境友好性。

3、本申请的联合系统可以将气体氚贮存单元中贮存的过量的气态氚转化为固体块状，以对气冷堆产生的过量氚进行固态贮存，等需要时再转化为氚燃料和/或氦-3燃料投入使用，提高了贮存效率，便于长期贮存和运输，解决了气冷堆产生过量氚的问题。

4、本申请的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示出了一个实施例的联合系统示意图；

图2示出了一个实施例的氚燃料提供系统示意图；

图3示出了一个实施例的裂变燃料双向供给系统示意图；

图4示出了一个实施例的产氚模块系统纵向截面示意图；

图5示出了一个实施例中的气冷堆横截面示意图；

图6示出了一个实施例中的气冷堆主体结构的纵向截面示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、气冷堆；1-A、产氚模块系统；1-B、堆芯；1-1、中子调节层；1-2、核燃料密封隔离层；1-3、反应堆压力容器；1-4、包壳；1-5、中子倍增层；1-6、氚增殖层；1-7、隔板；1-8、辐照产品生产层；1-9、反射层；1-10、氚管道；1-11、第一气体加速装置；1-12、第二气体加速装置；1-13、分流板；

2、聚变堆；3、氚燃料提供系统；3-A、氚收集系统；3-B、氚处理贮存系统；3-B1、氚提取子系统；3-B2、氚纯化分离子系统；3-B3、氚贮存子系统；3-C、氚补充系统；3-1、粉尘气溶胶过滤单元；3-2、放射性惰性气体过滤单元；3-3、碘过滤单元；3-4、气体介质冷却及氚催化单元；3-5、液态氚收集单元；3-6、液态氚贮存单元；3-7、氚物态转化单元；3-8、氚分离纯化单元；3-9、气体氚贮存单元；3-10、氚液态催化转化单元；3-11、氚固化单元；3-12、固态氚加工贮存单元；3-13、氚固化物处理单元；3-14、氚脱缚单元；3-15、加料预处理单元；3-16、氚注射单元；

4、裂变燃料双向供给系统；4-A、第一核燃料及同位素后处理系统；4-B、第二核燃料及同位素后处理系统；4-1、乏燃料接收及溶解单元；4-2、乏燃料及同位素分离纯化单元；4-3、核素提取单元；4-4、聚变堆核燃料制造单元；4-5、核燃料包层接收解体单元；4-6、包层剪切分解单元；4-7、核素分离纯化单元；4-8、气冷堆核燃料制造单元。

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。

实施例：

本发明提出了一种气冷堆与聚变堆的联合系统，如图1所示，包括气冷堆1和聚变堆2。还包括氚燃料提供系统3，其与气冷堆1和聚变堆2均连接，气冷堆1产生氚元素并将具有氚元素的冷却剂及气体介质通入氚燃料提供系统3中，得到氚和/或氦-3燃料，并将氚燃料和/或氦-3燃料输送至聚变堆2。

需要注意的是，本申请中所有提及的聚变堆2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。

联合系统还包括裂变燃料双向供给系统4，与气冷堆1和聚变堆2均连接，包括第一核燃料及同位素后处理系统4-A和第二核燃料及同位素后处理系统4-B。通过裂变燃料双向供给系统4，气冷堆1与聚变堆2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，氚燃料提供系统3包括依次连接的氚收集系统3-A、氚处理贮存系统3-B和氚补充系统3-C，其中氚收集系统3-A与气冷堆1连接，氚补充系统3-C与聚变堆2连接。

进一步的，氚处理贮存系统3-B包括：氚提取子系统3-B1、氚纯化分离子系统3-B2、氚贮存子系统3-B3和氚监测子系统。其中氚监测子系统与氚提取子系统3-B1、氚纯化分离子系统3-B2和氚贮存子系统3-B3均关联，对各子系统的设备及设施进行监测。

此处的关联是指，氚监测子系统中的设备与氚处理贮存系统3-B中其他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。

需要注意的是，图1中氚提取子系统3-B1、氚纯化分离子系统3-B2、氚贮存子系统3-B3依次连接的方式仅为示意，在实际应用中，氚提取子系统3-B1、氚纯化分离子系统3-B2和氚贮存子系统3-B3中的设备及设施并无固定顺序的限制。

氚收集系统3-A包括：氚净化子系统、氚分流子系统、气体冷却及氚转化/催化子系统，其中氚净化子系统与气冷堆1连通。气冷堆中的气体冷却剂及含氚介质导入至氚净化子系统中。

氚补充系统3-C包括加料预处理单元3-15和氚注射单元3-16，氚注射单元3-16与聚变堆2连通。加料预处理单元3-15包括分离氚和氦-3的设备，分离后氚燃料和氦-3燃料分别进入氚注射单元3-16。氚注射单元3-16将氚燃料和/或氦-3燃料注射进入聚变堆2中进行基本反应。

本申请的联合系统通过设置氚提供系统，并设计氚提供系统的具体组成和结构，气冷堆产生的氚经过在氚提供系统中进行收集、处理、贮存和运输等步骤，可以得到氚燃料和/或氦-3燃料，并向聚变堆提供，以解决聚变堆的氚自持和燃料补充难题。

裂变燃料双向供给系统4包括与气冷堆1和聚变堆2均连接的第一核燃料及同位素后处理系统4-A，通过第一核燃料及同位素后处理系统4-A，气冷堆1向聚变堆2提供以下物质的一种或几种：贫化铀、Th-232、U-238、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。

另外，裂变燃料双向供给系统4还包括与气冷堆1和聚变堆2均连接的第二核燃料及同位素后处理系统4-B，通过第二核燃料及同位素后处理系统4-B，聚变堆2向气冷堆1提供Pu-239和/或U-233。这里的Pu-239用作气冷堆的MOX燃料。

在本申请中，气冷堆1和聚变堆2之间除了气冷堆通过氚提供系统向聚变堆2提供氚燃料和/或氦-3燃料，以及通过裂变燃料双向供给系统，气冷堆1和聚变堆2之间互相提供核燃料以外，优选地对于聚变堆2脉冲式运行时，气冷堆1可以为聚变堆2提供能源动力。

如图3所示，具体来说，第一核燃料及同位素后处理系统4-A包括依次连通的乏燃料接收及溶解单元4-1、乏燃料及同位素分离纯化单元4-2、核素提取单元4-3、聚变堆核燃料制造单元4-4，其中乏燃料接收及溶解单元4-1与气冷堆1连接，聚变堆核燃料制造单元4-4与聚变堆2连接。

第二核燃料及同位素后处理系统4-B包括依次连通的核燃料包层接收解体单元4-5、包层剪切分解单元4-6、核素分离纯化单元4-7、气冷堆核燃料制造单元4-8，其中核燃料包层接收解体单元4-5与聚变堆2连接，气冷堆核燃料制造单元4-8与气冷堆1连接。

此外，第一核燃料及同位素后处理系统4-A和第二核燃料及同位素后处理系统4-B均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含氚物质输送至氚收集系统3-A和/或氚处理贮存系统3-B中。将裂变燃料双向供给系统4和氚燃料提供系统3相连接，这样使得裂变燃料双向供给系统4中存在的氚也得到了充分的利用，从而提高了联合系统的经济性。

本申请的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和环境友好性。

如图1所示，气冷堆1包括产氚模块系统1-A和堆芯1-B，产氚模块系统1-A设置于堆芯1-B的外围，产氚模块系统1-A包括氚增殖材料，与堆芯1-B的中子作用产生氚元素。对于堆芯1-B而言，堆芯核燃料(三元)裂变产生的氚、冷却剂中He-3与中子作用产生的氚、材料(主要是石墨)中B-10与中子作用产生的氚，以及石墨中C-12与中子作用的产生Li元素与中子再次作用产生的氚是反应堆堆芯1-B氚产生的主要因素。

氚净化子系统的输入端与产氚模块系统1-A连通，或者氚净化子系统的输入端分别与产氚模块系统1-A和堆芯1-B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。

经过氚收集系统3-A净化，或者经过氚处理贮存系统3-B纯化和分离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。

如图2所示，下面对氚燃料提供系统3的具体设计进行叙述：

当反应堆冷却剂中氚含量达到净化阈值后，堆芯1-B的反应堆气体冷却剂与产氚模块系统1-A中的气体介质流入氚燃料提供系统3，先流入氚净化子系统中。

氚净化子系统包括依次连通的粉尘气溶胶过滤单元3-1、放射性惰性气体过滤单元3-2和碘过滤单元3-3。粉尘气溶胶过滤单元3-1具有玻璃纤维、化纤纤维或气凝胶，可以去除气体介质中的粉尘和放射性气溶胶等杂质。放射性惰性气体过滤单元3-2具有优选碳、石墨或石墨烯基材的纳米微孔吸附材料，以吸附反应堆产生的放射性惰性气体。碘过滤单元3-3具有碘吸附器，用于去除载氚气体介质中的放射性碘同位素。

氚收集系统3-A还包括互相连通的气体介质冷却及氚催化单元3-4、气液分离及液态氚收集单元3-5。气体冷却及氚转化/催化子系统包括气体介质冷却及氚催化单元3-4，氚分流子系统包括气液分离及液态氚收集单元3-5。气体介质冷却及氚催化单元3-4与氚净化子系统输出端连通，优选气体介质冷却及氚催化单元3-4的输入端与碘过滤单元3-3的输出端连接。

气体介质冷却及氚催化单元3-4输出端与气液分离及液态氚收集单元3-5连通。气体介质冷却及氚催化单元3-4具有温度调节设备，将气体介质中的氚催化氧化为氚化水后对气体介质进行冷却，冷却凝结的氚化水流入气液分离及液态氚收集单元3-5。通过对气体介质进行冷却，将介质温度降低至400℃以下，从而大幅减弱氚的扩散和渗透能力，可控制氚的渗透率，减小氚损失率，并增强辐射环境友好性。气体介质冷却及氚催化单元3-4属于气体冷却及氚转化/催化子系统。

气液分离及液态氚收集单元3-5具有气液分离器，分离出氚化水和包含气态氚的气体介质。气液分离及液态氚收集单元3-5属于氚分流子系统，将氚化水和包含气态氚的气体介质分两路输入到氚处理贮存系统3-B中。

氚提取子系统3-B1包括氚物态转化单元3-7；氚纯化分离子系统3-B2包括氚分离纯化单元3-8。

氚贮存子系统3-B3包括液态氚贮存单元3-6和气体氚贮存单元3-9。

进一步的液态氚贮存单元3-6和氚分离纯化单元3-8均与气液分离及液态氚收集单元3-5输出端连通，氚化水进入液态氚贮存单元3-6，气体介质和气态氚进入氚分离纯化单元3-8。

氚分离纯化单元3-8优选具有离心净化设备，将气体介质中的气态氚分离纯化出来。经过分离净化除氚后的冷却剂和气体介质可以回流到气冷堆中重复使用，提高了经济性。

此外，如图2所示，在本实施例中，氚分离纯化单元3-8与气冷堆1连通，气冷堆1中的部分气体介质直接进入氚分离纯化单元3-8。碘过滤单元3-3也可以和氚分离纯化单元3-8联通，经过氚净化子系统净化后的部分气体介质直接进入氚分离纯化单元3-8。在其他实施例中可不进行这些设计。

氚物态转化单元3-7位于液态氚贮存单元3-6和氚分离纯化单元3-8之间，液态氚贮存单元3-6中的氚化水流入到氚物态转化单元3-7中，氚物态转化单元3-7包括电解设备，由于氚化水的H元素和T(H-3)元素电解率不同，利用电解技术可以将氚化水中的氚元素分离出来，形成气态氚。并将包含气态氚的气体介质导入氚分离纯化单元3-8。同样经过离心净化设备将气体介质中的气态氚分离纯化出来。

进一步的，气体氚贮存单元3-9与氚分离纯化单元3-8连通，气体氚贮存单元3-9具有泡沫钯或钯基质吸附器，可以吸附气态氚进行贮存。

气体氚贮存单元3-9与加料预处理单元3-15连通，加料预处理单元3-15具有物理参数调节设备，对气态氚和/或氦-3的物理特性参数进行调节。调节后进入氚注射单元3-16，氚注射单元3-16将氚燃料和/或氦-3燃料注射进入聚变堆中。加料预处理单元3-15还具有分离氚和氦-3的设备，分离后氚燃料和氦-3燃料分别进入氚注射单元3-16，由氚注射单元3-16注射进入聚变堆2中。

以上即为氚燃料提供系统3的主要工艺路线，氚主要通过液态和气态之间转化来进行加工处理。本实施例还提供一个支路，用于将对气冷堆产生的过量氚进行固态贮存，等需要时再加工使用。

具体来说，氚贮存子系统3-B3还包括依次连通的氚液态催化转化单元3-10、氚固化单元3-11、固态氚加工贮存单元3-12、氚固化物处理单元3-13、氚脱缚单元3-14，氚液态催化转化单元3-10的输入端与气体氚贮存单元3-9连通。

氚液态催化转化单元3-10优选地具有电加热器和拉瓦尔雾化喷管，将气体氚贮存单元3-9中过量的气态氚转化为液态氚后高温雾化为纳米液体颗粒。

氚固化单元3-11具有分子反应床或微分子反应床，用于将纳米液体颗粒与微纳米镁颗粒催化固化形成氚化镁粉颗粒(MgT

当需要再次提取氚时，氚固化物处理单元3-13具有粉碎设备，将块状氚化镁处理为氚化镁粉颗粒。氚脱缚单元3-14优选具有水解设备，将氚化镁粉颗粒水解，形成脱缚(固)的气态或液态氚。氚脱缚单元3-14的输出端与氚物态转化单元3-7连通。

本申请的联合系统可以将气体氚贮存单元中贮存的过量的气态氚转化为固体块状，以对气冷堆产生的过量氚进行固态贮存，等需要时再转化为氚燃料和/或氦-3燃料投入使用，提高了贮存效率，便于长期贮存和运输，解决了气冷堆产生过量氚的问题。

可见，本申请中的氚贮存子系统3-B3包括氚固态加工和贮存系统、氚液态加工和贮存系统以及氚气态(游离态)加工和贮存系统中的一个或多个系统。优选地，各个系统间相互连通，可以进行氚的各种物理状态的转化。其中氚固态加工和贮存系统包括：氚液态催化转化单元3-10、氚固化单元3-11、固态氚加工贮存单元3-12、氚固化物处理单元9-13、氚脱缚单元3-14。

以下针对本联合系统中的气冷堆设计展开叙述：

如图4所示，产氚模块系统1-A包括包壳1-4和产氚层组，包壳1-4沿气冷堆1的径向间隔布置，包壳1-4位于产氚模块系统沿反应堆径向的最外层，产氚层组位于两层包壳1-4之间。产氚层组至少包括氚增殖层1-6和氚增殖倍增层中的一种，其中氚增殖层1-6和氚增殖倍增层均包括产氚区域，产氚区域中包括氚增殖材料。

产氚层组中还可以设置中子倍增层1-5，中子倍增层1-5包括中子倍增材料。中子倍增层1-5可以与氚增殖层1-6和氚增殖倍增层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1-6时，同时设置中子倍增层1-5。

产氚层组还包括氚管道1-10，用于反应堆冷却剂和含氚介质的流通，氚管道1-10沿气冷堆1的轴向方向延伸，在氚管道1-10的管壁上开设有多个孔洞，使得氚管道1-10内部与产氚区域流体连通。

氚管道1-10为单层或者多层管道。优选地，氚管道1-10为2-3层的管道，且每层管道管壁上均设置孔洞，从氚管道1-10的外层到内层，孔洞的数量逐层增加，和/或者孔洞的大小逐层增大。这样使得氚管道从外层到内层压力逐层降低，气流速率逐层增加，从而增强氚从产氚区域向氚管道中释放和扩散的效率。

产氚模块系统1-A包括冷却剂进口，冷却剂进口包括第二气体加速装置1-12，氚管道1-10与第二气体加速装置1-12连通。第二气体加速装置1-12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1-12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1-12可以仅包括其中的收缩段，也可以起到将气体加速的作用。

第二气体加速装置1-12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。此外，第二气体加速装置1-12与管壁上的孔洞互相配合，使得氚管道1-10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4和图5所示，产氚层组包括沿气冷堆径向布置的中子倍增层1-5和氚增殖层1-6，氚增殖层1-6位于中子倍增层1-5的外侧，氚管道1-10的至少部分位于氚增殖层1-6内。

产氚模块系统1-A还包括隔板1-7，产氚层组中不同类型的层之间设置有隔板1-7，产氚层组与其他层之间也可以设置有隔板1-7。

产氚模块系统1-A还包括防氚渗透层，防氚渗透层与包壳1-4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，氧化物包括以下物质的一种或几种：Cr

产氚模块系统1-A还包括辐照产品生产层1-8，辐照产品生产层1-8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1-8的两侧设置有隔板1-7，辐照产品生产层1-8位于氚增殖层1-6的外侧。

产氚模块系统1-A还包括反射层1-9或慢化层，反射层1-9或慢化层位于辐照产品生产层1-8的外侧，反射层1-9或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。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1-8也可置于中子倍增层、氚增殖层、氚增殖倍增层、慢化层或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。

如图5所示，优选地产氚模块系统1-A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1-A在周向上由多个产氚子模块拼接而成，相邻的产氚子模块之间设置隔板1-7。优选地，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。

此外，气冷堆1包括沿气冷堆径向由内到外设置的堆芯1-B、核燃料密封隔离层1-2以及反应堆压力容器1-3，产氚模块系统1-A位于堆芯1-B的外围，且位于核燃料密封隔离层1-2和反应堆压力容器1-3之间。核燃料密封隔离层1-2包括金属容器或围板，还包括固定支撑构件。

此外，堆芯1-B与核燃料密封隔离层1-2之间设置中子调节层1-1，中子调节层1-1包括冷却剂流道，和/或中子倍增层和/或反射层和/或慢化层。

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，并可减小气冷堆中反射层、慢化层以及外部屏蔽体厚度。

如图6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1-11，在第一气体加速装置1-11上设置有气体介质物理参数调节系统。第一气体加速装置1-11与第二气体加速装置1-12的结构类似。

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1-11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。

气冷堆1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1-11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。

反应堆冷却剂入口分别与堆芯1-B和产氚模块系统1-A连通，气冷堆还包括分流板1-13，分流板1-13位于第一气体加速装置1-11与堆芯1-B之间，也位于第一气体加速装置1-11与产氚模块系统1-A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，通过分流板1-13可以分别调节进入堆芯1-B和产氚模块系统1-A中的反应堆冷却剂的气体参数。

优选地，分流板1-13与第一气体加速装置1-11连接，可通过调节分流板1-13与第一气体加速装置1-11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1-11后的气体介质参数范围，通过调节分流板1-13与反应堆压力容器1-3之间的空间体积等参数，进一步调节分别进入堆芯1-B和进入产氚模块系统1-A的冷却剂进气量和参数。经过第一气体加速装置1-11和分流板1-13先后进行气体参数的调节，可以使得进入产氚模块系统1-A的反应堆冷却剂与第二气体加速装置1-12耦合，从而增强产氚模块系统中气体介质载带氚的能力。

总之，从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现如下技术效果：

1、本申请的联合系统通过设置氚提供系统，并设计氚提供系统的具体组成和结构，气冷堆产生的氚经过在氚提供系统中进行收集、处理、贮存和运输等步骤，可以得到氚燃料和/或氦-3燃料，并向聚变堆提供，以解决聚变堆的氚自持和燃料补充难题。

2、本申请的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，提升环境友好性。

3、本申请的联合系统可以将气体氚贮存单元中贮存的过量的气态氚转化为固体块状，以对气冷堆产生的过量氚进行固态贮存，等需要时再转化为氚燃料和/或氦-3燃料投入使用，提高了贮存效率，便于长期贮存和运输，解决了气冷堆产生过量氚的问题。

4、本申请的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。