本發(fā)明屬于核反應(yīng)堆裝置領(lǐng)域，尤其涉及用于Z箍縮聚變裂變混合能源堆的聚變靶室。

背景技術(shù)：
Z箍縮驅(qū)動聚變-裂變混合能源堆(Z-Pinch-DrivenFusion-FissionHybridPowerReactor,Z-FFR)利用Z箍縮驅(qū)動慣性約束聚變(InertialConfinementFusion,ICF)產(chǎn)生的大量中子驅(qū)動次臨界裂變堆而釋放能量，是一種能夠有效應(yīng)對未來能源危機和環(huán)境氣候問題的新能源。Z-FFR需要聚變靶室(FusionChamber)為聚變的產(chǎn)生提供必要的環(huán)境，包容聚變產(chǎn)物并提供聚變安全防護功能。能源應(yīng)用尺度的Z箍縮聚變放能約為每脈沖1～3GJ(1GJ＝109J)，其中80％的能量由聚變高能中子攜帶、用于驅(qū)動次臨界裂變堆放能。其余20％的能量由X射線、離子(Ions)和碎片(Debris)攜帶，將在微秒時間尺度內(nèi)沖擊聚變靶室面向等離子體第一壁(FirstWall,FW)，造成第一壁表面燒蝕和結(jié)構(gòu)破壞，影響靶室安全和運行壽命。當(dāng)前主要通過在靶室內(nèi)部填充液態(tài)或氣體/氣溶膠來吸收聚變X射線、離子和碎片能量以實現(xiàn)靶室安全防護。這些填充物吸收大量能量后，溫度急劇升高、對靶室第一壁產(chǎn)生熱力學(xué)沖擊，同時產(chǎn)生強沖擊波(即輻射驅(qū)動沖擊波)、對靶室結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強的力學(xué)沖擊。因此靶室必須能夠同時承受周期性的熱力學(xué)沖擊和力學(xué)沖擊。美國圣地亞國家實驗室(SandiaNationalLaboratory,SNL)提出了Z箍縮慣性約束聚變堆概念“Z-IFE”。其聚變靶室設(shè)計針對每脈沖3GJ、0.1Hz運行頻率(10秒一次)的聚變放能，采用厚液遮蔽(ThickLiquidCurtain)防護方法，通過高壓噴射氟鋰鈹(Flibe)或鋰鉛(LiPb)液態(tài)熔鹽(等效厚度約1m)吸收全部聚變產(chǎn)物。靶室為球形，采用F82H低活化鋼材料，半徑6.5m、壁厚35cm，主要作為結(jié)構(gòu)件、承擔(dān)結(jié)構(gòu)支撐和輻射屏蔽功能。Z-IFE概念是純聚變堆，利用厚液遮蔽(ThickLiquidCurtain)方法吸收包括幾乎全部聚變高能中子在內(nèi)的聚變放能，靶室第一壁面臨較小的熱沖擊問題。但Z-FFR不可能采用厚液遮蔽(ThickLiquidCurtain)防護方法，因此熱沖擊問題不可避免，Z-IFE的靶室設(shè)計不能解決靶室第一壁的耐熱力學(xué)沖擊問題。同時，Z-IFE的靶室設(shè)計采用35cm厚的低活化鋼作為第一壁，具有相當(dāng)高的結(jié)構(gòu)強度，同樣的力學(xué)沖擊在該靶室結(jié)構(gòu)中引起的應(yīng)力很低，因而安全性很好。但這樣的厚度對高能聚變中子的吸收非常強，由于Z-FFR需要聚變高能中子來驅(qū)動次臨界裂變堆放能、而不是被靶室第一壁吸收，因此Z-IFE的靶室設(shè)計無法保證Z-FFR的核性能。美國圣地亞國家實驗室也提出了Z箍縮驅(qū)動嬗變堆概念“In-Zinerator”，用于嬗變 現(xiàn)有裂變核電站產(chǎn)生的乏燃料。其聚變靶室設(shè)計針對每脈沖0.2GJ、0.1Hz運行頻率(10秒一次)的聚變放能，采用在靶室內(nèi)充1000～2000Pa的Ar氣/氣溶膠以吸收聚變X射線的防護手段。其靶室為圓柱體，采用鎳基高溫合金材料，半徑2m、高5m，第一壁厚5cm、對聚變中子吸收較強，但由于其外部裂變包層反應(yīng)性較高，穿過第一壁的聚變中子仍能滿足該系統(tǒng)的總體要求。In-Zinerator主要目的是嬗變現(xiàn)有裂變核電站產(chǎn)生的乏燃料，其外部裂變包層反應(yīng)性參數(shù)keff～0.97。因此在聚變靶室設(shè)計中，允許采用較厚(5cm)的第一壁以提高結(jié)構(gòu)強度裕量，即使其吸收了部分聚變中子，剩余穿過第一壁的聚變中子仍能滿足要求。而Z-FFR次臨界裂變堆采用天然鈾作為燃料，其反應(yīng)性參數(shù)較低(keff<0.7)，確保其具有天然的安全性和經(jīng)濟性。而這種設(shè)計則要求較強的聚變中子來驅(qū)動，因此對第一壁厚度提出了苛刻的要求，5cm厚鎳合金將對聚變中子造成無法接受的影響。同時，In-Zinerator的聚變放能只有每脈沖0.2GJ，因此采用半徑2m的小靶室、充氣氛圍防護就可以滿足靶室耐熱燒蝕和熱力學(xué)沖擊要求。而Z-FFR聚變放能超過每脈沖1～3GJ、比In-Zinerator強得多，因此In-Zinerator的小半徑靶室不能解決Z-FFR面臨的耐熱燒蝕和熱力學(xué)沖擊要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于：針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出了一種用于Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室，該靶室設(shè)計能夠同時應(yīng)對熱力學(xué)沖擊和力學(xué)沖擊，并滿足Z-FFR中子物理學(xué)性能要求。本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種用于Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室，包括由面向等離子體第一壁圍成的靶室，所述面向等離子體第一壁內(nèi)壁表面設(shè)有耐熱燒蝕防護層，所述靶室為球形殼體結(jié)構(gòu)，其上端設(shè)有換料通道開口，下端設(shè)有廢物移出通道開口；將該球形殼體結(jié)構(gòu)以過換料通道開口中心、球形殼體結(jié)構(gòu)球心和廢物移出通道開口中心三點的若干面進行分割形成若干結(jié)構(gòu)單元，所述靶室的球形殼體結(jié)構(gòu)由該若干結(jié)構(gòu)單元拼接構(gòu)成，所述結(jié)構(gòu)單元橫截面呈弧形，且朝靶室內(nèi)部凸起。上述方案中，本發(fā)明設(shè)計了一種用于Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室，通過靶室第一壁表面敷涂防護層來提高耐熱沖擊性能，通過采用低曲率半徑的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計降低了沖擊波對靶室結(jié)構(gòu)的沖擊，該靶室設(shè)計能夠同時應(yīng)對熱力學(xué)沖擊和力學(xué)沖擊，并滿足Z-FFR中子物理學(xué)性能要求。作為選擇，所述各結(jié)構(gòu)單元均勻分布。作為選擇，所述結(jié)構(gòu)單元橫截面呈圓弧形。作為選擇，所述結(jié)構(gòu)單元弧形橫截面的曲率半徑為50～100cm。作為選擇，所述靶室半徑7m，由36個所述結(jié)構(gòu)單元均勻拼接構(gòu)成，內(nèi)部充500Pa～2000Pa的Ar氣。上述方案中，聚變靶室半徑7m、內(nèi)部充500Pa～2000Pa的Ar氣，7m半徑既保證足夠的Ar充氣以吸收99％以上的聚變X射線能量，又降低了第一壁表面的聚變中子通量密度、降低了聚變高能中子對第一壁的輻射損傷。靶室內(nèi)部存在1MPa沖擊壓力，連同靶室自身重量和內(nèi)外氣壓，將在半徑7m、厚1cm的薄球殼第一壁內(nèi)產(chǎn)生約200MPa以上應(yīng)力，對聚變靶室結(jié)構(gòu)安全與壽命不利。本發(fā)明采用36個結(jié)構(gòu)單元拼接形成完整的聚變靶室，每個單元的曲率半徑減小至0.6m，可將靶室第一壁結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低至30MPa，大幅提升了靶室結(jié)構(gòu)的安全性。作為選擇，所述耐熱燒蝕防護層為能夠承受0.5J/cm2的循環(huán)熱力學(xué)沖擊的材料制成。作為進一步選擇，所述耐熱燒蝕防護層由鎢、鉬合金或SiC陶瓷制成。所述鉬合金可選Mo-Ti-Zr合金和Mo-W合金等具有較高力學(xué)強度和再結(jié)晶溫度的鉬合金材料。作為更進一步選擇，所述耐熱燒蝕防護層為0.1mm～1.0mm的鎢涂層。上述方案中，第一壁表面涂0.1mm～1.0mm的鎢作為耐熱燒蝕防護層，可以承受1J/cm2的熱沖擊。鎢和鈦鋁合金的熱膨脹系數(shù)接近，涂層界面具有較好的熱力學(xué)沖擊穩(wěn)定性。作為選擇，所述靶室半徑大于5m，面向等離子體第一壁由厚度小于2cm，能夠承受1MPa的沖擊波力學(xué)沖擊，工作溫度大于500℃的金屬制成。上述方案中，第一壁厚度小于2cm，以盡可能降低對聚變中子的吸收，同時降低中子輻射損傷效應(yīng)，靶室半徑大于5m，滿足自身結(jié)構(gòu)強度要求。作為進一步選擇，所述面向等離子體第一壁由鈦基合金或鉬基合金制成。所述Ti基合金(Titaniumbasealloys(Ti-based))可選Ti3Al合金、TiAl合金。所述鉬基合金可選Mo-Ti-Zr合金。作為更進一步選擇，所述面向等離子體第一壁為厚度1cm的鈦鋁合金。上述方案中，靶室第一壁材料選擇鈦鋁合金。鈦元素和鋁元素與聚變高能中子的反應(yīng)截面很小，可以降低中子對第一壁的輻射損傷。第一壁厚度1cm，保證80％以上的聚變高能中子均能直接透過第一壁，同時鈦和高能中子存在可觀的(n,2n)反應(yīng)、使得通過第一壁后進入次臨界裂變堆的中子總數(shù)有所增加，可確保Z-FFR的核性能。鈦鋁合金具有較好的機械性能，工作溫度可達800℃，相應(yīng)的拉伸強度和屈服強度均在 500MPa以上，提升了靶室對高溫工作環(huán)境的適應(yīng)性。本發(fā)明前述各方案中所涉及各種材料均可市售購得，實施時可根據(jù)需要選擇組合。前述本發(fā)明主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本發(fā)明可采用并要求保護的方案：如本發(fā)明，各選擇即可和其他選擇任意組合，本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識可明了有多種組合，均為本發(fā)明所要保護的技術(shù)方案，在此不做窮舉。本發(fā)明縮略語和關(guān)鍵術(shù)語定義：Z箍縮——利用大驅(qū)動電流產(chǎn)生的超強電磁力驅(qū)動負載等離子體內(nèi)爆、從而實現(xiàn)聚變的一種技術(shù)途徑；Z-FFR——Z箍縮驅(qū)動聚變-裂變混合能源堆(Z-Pinch-DrivenFusion-FissionHybridPowerReactor)，彭先覺院士和中國工程物理研究院提出的利用Z箍縮聚變中子驅(qū)動次臨界裂變堆從而產(chǎn)生能量的能源堆概念；ICF——慣性約束聚變(InertialConfinementFusion)；FW——面向等離子體第一壁(FirstWall)；Z-IFE——美國圣地亞國家實驗室提出的Z箍縮慣性約束聚變能源概念，是純聚變發(fā)電能源堆；In-Zinerator——美國圣地亞國家實驗室提出的Z箍縮驅(qū)動嬗變堆概念，用于嬗變現(xiàn)有裂變核電站產(chǎn)生的乏燃料。本發(fā)明的有益效果：通過靶室第一壁表面敷涂防護層來提高耐熱沖擊性能，通過采用結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)降低了沖擊波對靶室結(jié)構(gòu)的沖擊，該靶室設(shè)計能夠同時應(yīng)對熱力學(xué)沖擊和力學(xué)沖擊，并滿足Z-FFR中子物理學(xué)性能要求：①靶室第一壁表面敷涂耐熱防護層提高了耐熱沖擊性能，如鎢涂層可承受1.0J/cm2的X射線輻照；②采用結(jié)構(gòu)單元拼接形成靶室，通過減小各單元的曲率半徑降低了沖擊波對靶室結(jié)構(gòu)的力學(xué)沖擊效應(yīng)，如36個結(jié)構(gòu)單元下1MPa沖擊波對靶室結(jié)構(gòu)造成的沖擊應(yīng)力僅30MPa，大幅提升了靶室結(jié)構(gòu)的安全裕量；③采用前述結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得靶室第一壁厚度大為降低，形成薄壁聚變靶室，如靶室第一壁使用1cm厚鈦鋁合金可降低對聚變高能中子的吸收，提高了Z-FFR的放能性能和氚增殖性能；④鈦鋁合金具有較好的機械性能，工作溫度可達800℃，相應(yīng)的拉伸強度和屈服強度均在500MPa以上，提升了靶室對高溫工作環(huán)境的適應(yīng)性。附圖說明圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明結(jié)構(gòu)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2結(jié)構(gòu)單元下半段的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3的左視結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的縱剖結(jié)構(gòu)示意圖；其中1為MITL(磁絕緣傳輸線)、2為RTL(可更換傳輸線)、3為聚變靶心、4為氣體氛圍層、5為耐熱燒蝕防護層、6為面向等離子體第一壁、7為換料通道開口、8為廢物移出通道開口、9為結(jié)構(gòu)單元。具體實施方式下列非限制性實施例用于說明本發(fā)明。實施例1：參考圖1至6所示，一種用于Z箍縮聚變裂變混合能源堆的薄壁聚變靶室，包括由面向等離子體第一壁6圍成的靶室，面向等離子體第一壁6內(nèi)壁表面設(shè)有耐熱燒蝕防護層5，靶室為球形殼體結(jié)構(gòu)，其上端設(shè)有換料通道開口7，下端設(shè)有廢物移出通道開口8；將該球形殼體結(jié)構(gòu)以過換料通道開口7中心、球形殼體結(jié)構(gòu)球心和廢物移出通道開口8中心三點的若干面進行分割形成若干結(jié)構(gòu)單元9(分割面即圖6所示縱剖圖)，靶室的球形殼體結(jié)構(gòu)由該若干結(jié)構(gòu)單元9拼接構(gòu)成，結(jié)構(gòu)單元9橫截面呈弧形，且朝靶室內(nèi)部凸起(靶室的水平剖視圖則呈波浪圓形，圖中未示出)。作為選擇，如本實施例所示，靶室半徑7m，面向等離子體第一壁6為厚度1cm的TiAl合金，耐熱燒蝕防護層5為0.2mm的鎢涂層，靶室由36個結(jié)構(gòu)單元9均勻拼接構(gòu)成，結(jié)構(gòu)單元9橫截面呈圓弧形，曲率半徑為0.6m，每個結(jié)構(gòu)單元9均由上下兩段拼接構(gòu)成，靶室內(nèi)部充2000Pa的Ar氣的氣體氛圍層4。利用輻射流體力學(xué)模型計算程序計算了在1.5GJ聚變放能條件下，第一壁內(nèi)表面輻射能量密度為0.06J/cm2、小于W涂層燒蝕限值，第一壁同時受到的沖擊強度為0.3MPa。使用ANSYS14.0有限元分析軟件計算了1MPa內(nèi)部沖擊壓力條件下，第一壁內(nèi)部應(yīng)力強度峰值小于60MPa,遠小于TiAl合金強度限值。該靶室設(shè)計同時滿足了Z-FFR的熱學(xué)和力學(xué)防護要求。實施例2：本實施例與實施例1基本相同，其區(qū)別在于：靶室半徑8m，面向等離子體第一壁為厚 度1cm的Ti3Al合金，耐熱燒蝕防護層為0.1mm的W，靶室由36個結(jié)構(gòu)單元均勻拼接構(gòu)成，結(jié)構(gòu)單元橫截面呈圓弧形，曲率半徑為0.7m，靶室內(nèi)部充1000Pa的Ar氣。利用輻射流體力學(xué)模型計算程序計算了在1.5GJ聚變放能條件下，第一壁內(nèi)表面輻射能量密度為0.05J/cm2、小于W涂層燒蝕限值，第一壁同時受到的沖擊強度為0.24MPa。使用ANSYS14.0有限元分析軟件計算了1MPa內(nèi)部沖擊壓力條件下，第一壁內(nèi)部應(yīng)力強度峰值小于70MPa,遠小于Ti3Al合金強度限值。該靶室設(shè)計同時滿足了Z-FFR的熱學(xué)和力學(xué)防護要求。實施例3：本實施例與實施例1基本相同，其區(qū)別在于：靶室半徑7m，面向等離子體第一壁為厚度1.5cm的TiAl合金，耐熱燒蝕防護層為0.15mm的W-10％Re合金，靶室由30個結(jié)構(gòu)單元均勻拼接構(gòu)成，結(jié)構(gòu)單元橫截面呈圓弧形，曲率半徑為0.7m，靶室內(nèi)部充2000Pa的Ar氣。利用輻射流體力學(xué)模型計算程序計算了在1.5GJ聚變放能條件下，第一壁內(nèi)表面輻射能量密度為0.06J/cm2、小于W涂層燒蝕限值，第一壁同時受到的沖擊強度為0.3MPa。使用ANSYS14.0有限元分析軟件計算了1MPa內(nèi)部沖擊壓力條件下，第一壁內(nèi)部應(yīng)力強度峰值小于40MPa,遠小于TiAl合金強度限值。該靶室設(shè)計同時滿足了Z-FFR的熱學(xué)和力學(xué)防護要求。實施例4：本實施例與實施例1基本相同，其區(qū)別在于：靶室半徑6.5m，面向等離子體第一壁為厚度1.5cm的TiAl合金，耐熱燒蝕防護層為0.2mm的W-10％Re合金，靶室由36個結(jié)構(gòu)單元均勻拼接構(gòu)成，結(jié)構(gòu)單元橫截面呈圓弧形，曲率半徑為0.5m，靶室內(nèi)部充2000Pa的Ar氣。利用輻射流體力學(xué)模型計算程序計算了在1.5GJ聚變放能條件下，第一壁內(nèi)表面輻射能量密度為0.08J/cm2、小于W涂層燒蝕限值，第一壁同時受到的沖擊強度為0.4MPa。使用ANSYS14.0有限元分析軟件計算了1MPa內(nèi)部沖擊壓力條件下，第一壁內(nèi)部應(yīng)力強度峰值小于60MPa,遠小于TiAl合金強度限值。該靶室設(shè)計同時滿足了Z-FFR的熱學(xué)和力學(xué)防護要求。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。