[發(fā)明專利]一種基于混合能譜的高效核廢料嬗變次臨界堆芯

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210089222.6
• 申請日: 2012-03-30
• 公開（公告）號: CN102623078A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設計）人: 陳釗;陳忠;汪衛(wèi)華;柏云清
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院
• 主分類號: G21F9/34
• 分類號: G21F9/34
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉

技術領域

本發(fā)明屬于放射性核廢物處理技術領域，具體涉及一種用于高放核廢料嬗變的反應堆堆芯。

背景技術

核廢料處理問題，尤其是長壽命核廢料的最終處理是一個世界性難題，目前各國都沒有確定的處置方案。隨著我國壓水堆核電站裝機容量的快速增長，核廢料的積累量將快速增加。這些核廢物壽命長、放射毒性大，對人類環(huán)境構成長期危害。如何實現(xiàn)廢物最少化，最大限度地減少核電站運行產(chǎn)生的高放廢物的體積及其放射毒性，并將高放廢物安全處置，使之可靠地與生物圈長期隔離，確保子孫后代的環(huán)境安全，是關系到核能可持續(xù)發(fā)展和影響公眾對核能接受度的關鍵問題之一。

目前，國際上有兩種乏燃料處理方案，分別是以美國為代表的“一次通過”方式和以法國等國為代表的“閉式循環(huán)”方式。“一次通過”方式是將乏燃料存放冷卻后直接進行深地填埋；“閉式循環(huán)”方式是將乏燃料進行后處理，回收鈾和钚后將剩余的產(chǎn)物經(jīng)過固化后進行深地填埋。這兩種方法都沒有對高放核廢料進行實質(zhì)性的處理，都存在著遠期放射性風險問題，資源也存在一定的浪費。“分離-嬗變”法是核廢料處理的一種新途徑，即通過化學分離把高放射性廢物中的次錒系核素(簡稱MA)和長壽命裂變產(chǎn)物(簡稱LLFP)分離出來，利用核反應裝置(如反應堆，加速器)把長壽命核素轉(zhuǎn)變成短壽命核素或穩(wěn)定核素。現(xiàn)有研究成果表明，MA適合采用快中子嬗變，LLFP適合采用熱中子嬗變。

加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(Accelerator?Driven?Sub-critical?System，ADS)是目前致力于嬗變放射性核廢物、有效利用核資源及產(chǎn)出核能量的理想裝置。國際原子能機構(IAEA)把ADS列入新型核能系統(tǒng)中，并稱之為“新出現(xiàn)的核廢物嬗變及能量產(chǎn)生的核能系統(tǒng)”。ADS嬗變系統(tǒng)中由散裂反應產(chǎn)生的散裂中子和由燃料發(fā)生裂變反應產(chǎn)生的裂變中子均屬于快中子，適合于嬗變MA。在現(xiàn)有的ADS嬗變系統(tǒng)概念設計中，用于嬗變MA的有美國的ATW計劃、歐盟的CDT計劃(基于MYRRHA/XT-ADS計劃)、日本的OMEGA計劃和韓國的HYPER計劃。

在韓國的HYPER計劃中，采用快中子譜堆芯，通過在嬗變MA的堆芯內(nèi)設置LLFP燃料組件實現(xiàn)同時嬗變LLFP的功能。LLFP燃料組件中采用石墨作為慢化層。但LLFP燃料組件中石墨的厚度有限，HYPER計劃中采用LLFP燃料組件的方案的中子慢化效果有限，能否達到嬗變LLFP的預期目的還有待驗證。

在中國專利CN?1945751B中，中國原子能科學研究院公開了一種加速器驅(qū)動的快-熱耦合次臨界反應堆。該反應堆通過在快中子能譜區(qū)與熱中子能譜區(qū)形成超熱中子能譜區(qū)，并利用超熱中子能譜區(qū)嬗變LLFP。在該方案中的快中子能譜區(qū)采用鈉(實施例中采用鋁模擬)作為冷卻劑，熱中子能譜區(qū)采用水(實施例中采用聚乙烯模擬)作為慢化劑，快譜區(qū)和熱譜區(qū)燃料組件采用不同的結構布置形式。在同一個反應堆中同時存在兩種不同的冷卻劑，并且同時存在兩種不同布置形式的燃料組件，極大地增加了系統(tǒng)的復雜性，對反應堆設計和運行提出來更高的要求。而且，鈉和水接觸將發(fā)生劇烈的化學反應，這將存在嚴重的安全隱患。

在中國專利03152870.8中，中國科學院等離子體物理研究所公開了基于可裂變材料中子增殖的次臨界核廢料與核燃料生產(chǎn)的方法，該方法可同時實現(xiàn)嬗變MA，核燃料增殖和嬗變LLFP的功能。但該方法中從可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)慢化后的低能中子很少，對于LLFP的嬗變效果很難確定。

在上海交通大學核科學與工程學院提出的混合能譜超臨界水堆中，提出了混合能譜的概念，并利用其進行產(chǎn)能和增殖，提高反應堆的經(jīng)濟效益。該方案的反應堆屬于快中子反應堆，若用于核廢料嬗變，將會是使反應堆動態(tài)參數(shù)(多普勒系數(shù)，空泡系數(shù)，緩發(fā)中子份額等)變差，控制棒效率變差，影響反應堆的安全性。因此該方案不適合用于核廢料嬗變。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術解決問題：克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于混合能譜的高效率核廢料嬗變次臨界堆芯，在嬗變區(qū)內(nèi)形成混合能譜，根據(jù)快中子和熱中子的分布情況分別設置了的TRU燃料區(qū)和LLFP燃料區(qū)，兩個燃料區(qū)采用相同的燃料組件形式，利用混合能譜中的快中子嬗變MA，利用混合能譜中的熱中子嬗變LLFP，實現(xiàn)在同一個堆芯同一個嬗變區(qū)內(nèi)同時嬗變MA和LLFP的功能，中子利用率高，堆芯結構簡單，具備高效嬗變核廢料的功能，并且采用液態(tài)鉛鉍合金作為冷卻劑將嬗變區(qū)產(chǎn)生的裂變能帶出堆芯，進行產(chǎn)能。