次临界能源包层是聚变-裂变混合堆的重要部件，对其进行力学特性分析研究是确保整个反应堆正常运行的关键。本文利用有限元分析软件对次临界能源包层的第一壁结构、支撑固定结构的相关零部件开展了初步的力学分析，得到了各零部件相关结构的最大应力值、应力分布云图和变形分布云图，其中支撑结构的最大应力位于加强筋板与圆柱定位销的连接处，应力值为310.2 MPa；第一壁的最大应力位于“U”形流道拐角处，应力值为240.7 MPa；按相应的评价准则进行结构的强度和刚度校核，计算结果表明次临界能源包层各零部件能够满足计算工况下的强度和刚度要求。

基于国际热核聚变实验反应堆磁约束聚变-裂变混合能源系统次临界包层的物理-热工设计结果，提出了聚变-裂变混合堆次临界包层燃料区结构设计方案，包括纵骨支撑结构、燃料区结构和锆包壳结构。运用Pro/e建模软件建立了次临界包层燃料区结构模型，并利用ANSYS-workbench mechanical有限元分析软件对纵骨式支撑结构开展了初步力学分析，得到了燃料部件和纵骨式多层支撑结构的最大Tresca应力值、应力分布云图和总变形量，其中最大应力为87.04 MPa，最大变形量为0.17 mm。按照第3强度理论校核，计算结果表明纵骨式次临界包层结构各部件能够满足强度要求。

为计算混合堆在未来燃料循环过程中起到的作用, 进行了混合堆共生系统物料平衡计算。根据我国核电发展现状和中长期发展规划及中长期(2030年、2050年)发展战略研究, 并充分考虑了我国经济发展速度、人口数量和人均用电量, 计算得到了2100年之前, 我国核电机组装机容量。假定不同堆型搭配的混合堆共生系统核燃料循环的4种情景并建立对应的物料平衡模型进行计算。计算结果表明, 压水堆、混合堆和快堆共生模式能最大限度的减少天然铀的需求和节约乏燃料处置费用。

作为一种有竞争力的能源系统, Z箍缩聚变裂变混合堆(Z-FFR)正在开展概念研究, 包层研究正是其中重要的一部分。建立了Z-FFR包层设计模型, 分析了包层影响因素、中子平衡、通量与功率密度、燃耗等方面, 表明该包层设计在50年内能量放大因子、氚增殖比和燃料增殖比的平均值分别为14.91, 1.294和5.140, 满足设计要求。针对聚变源的脉冲特性进行了包层的瞬态中子学分析, 发现燃料区中子脉冲可分为聚变中子、瞬发裂变中子和缓发裂变中子脉冲三个部分, 绝大部分热量约在0.01 s内沉积。结果较完整地给出了Z-FFR包层的中子学参数, 为概念研究提供了基础。

聚变-裂变混合能源堆包括聚变中子源和次临界能源堆,主要目标是生产电能。回顾了国内外混合堆的发展历史,给出混合能源堆设计的边界条件和约束条件,说明次临界能源堆以铀锆合金为燃料、水为冷却剂的设计思想。利用输运燃耗耦合程序 MCORGS 计算了混合能源的燃耗,给出了中子有效增殖因数、能量放大倍数和氚增殖比等物理量随时间的变化。通过分析能谱和重要核素随燃耗时间的变化,说明混合能源堆与核燃料增殖、核废料嬗变混合堆的不同特点。论述了混合堆的热工设计并进行了安全分析。对于燃耗数值模拟程序,通过多家对算,保证其计算结果的可信性。针对次临界能源堆的特点,利用贫铀球壳建立了贫铀聚乙烯装置和贫铀LiH装置,并且专门设计加工了天然铀装置,开展铀裂变率、造钚率、产氚率等中子学积分实验,验证了数值模拟的可靠性。

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)在核安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境、气候问题的新能源。从Z箍缩驱动聚变方案与聚变靶设计、重复频率驱动器、次临界包层及产氚包层设计、燃料循环等关键问题方面,对Z-FFR工程概念总体研究情况进行了介绍。

中国工程物理研究院提出的Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)概念,采用Z箍缩热核聚变产生的大量中子驱动次临界裂变堆而释放能量,集成了“局部整体点火”聚变靶、“先进次临界能源堆”等创新概念,在安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境气候问题的千年能源。简要回顾了国内外Z箍缩聚变能源(Z-IFE)的相关研究进展,介绍了中国工程物理研究院在Z-FFR方向的总体概念研究情况,从驱动器、聚变靶设计和次临界裂变堆三方面阐述了此能源系统的原理结构和运行特点,对其经济性进行了评估,同时提出了未来Z-FFR的发展路线图设想。