包层
包层(blanket)是像毛毯一样包围聚变堆芯部等离子体的结构体,它把聚变产生的中子能量作为热量回收,增殖作为燃料的氚,并保护外侧设备免受辐射,承担着这些作用。
通俗定义(高中水平)
Section titled “通俗定义(高中水平)”聚变反应产生的能量大部分被飞出的中子带走。中子不带电,无法用磁场约束,会径直穿过等离子体飞向外部。接住这些中子、把它们的能量转化为热量并烧水的,正是包层。它就像盖在等离子体上的毛毯一样的部件,名字也由此而来。
此外,包层还有另一项重要职责。作为聚变燃料的氚在自然界中几乎不存在,因此必须在堆内自己制造。在包层中放入锂,飞来的中子撞击锂后就会转变为氚。一边燃烧燃料,一边就地制造下一批燃料,这是一套非常巧妙的机制。
严格定义(本科及以上)
Section titled “严格定义(本科及以上)”包层(blanket)是主要针对氘(D)与氚(三重氢,T)反应释放的 14.1 MeV 中子、同时承担以下三项功能的堆内结构体。
在热回收方面,中子与结构材料或增倍材料碰撞减速时产生的热量,由冷却剂(水、氦、液态金属等)取出并用于发电。在聚变反应 D + T → He(3.5 MeV)+ n(14.1 MeV)中,约 80% 的能量由中子带走,因此发电量的大部分依赖于包层的热回收。
在氚增殖方面,通过锂与中子的反应生成氚。具有代表性的反应有以下两种。
上式表示锂 6 吸收中子后分裂为氦和氚并释放能量的反应。下式表示锂 7 与快中子反应生成氚、同时再放出一个中子的反应。增殖性能用氚增殖比(tritium breeding ratio,TBR)表示,即相对于消耗的 1 个氚所生成的个数。要实现堆的自持运行,TBR 必须大于 1,实际上考虑到损失与库存,需要达到 1.05~1.15 左右。为提高 TBR,有时会并用铍或铅等中子增倍材料。
在屏蔽方面,吸收未能充分减速的中子和伽马射线,保护外侧的超导线圈等设备免受辐射损伤和核发热。
在聚变研究中的作用
Section titled “在聚变研究中的作用”包层是将聚变堆从“实验装置”转变为“发电堆”的核心部件。它是取出能量的唯一主要途径,同时也是自给燃料的装置。氚半衰期约 12.3 年,较短且难以外部采购,因此实现能将 TBR 保持在 1 以上的包层,是让聚变成为可持续能源的必要条件。连同开发能耐受高中子通量、高温这一严酷环境的材料,它是聚变工程中最大级别的课题之一。