[發(fā)明專利]一種摻雜锝—99的核燃料元件

有效

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• 申請日: 2012-09-14
• 公開（公告）號: CN102831939A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝金森;于濤
• 申請（專利權(quán)）人: 南華大學(xué)
• 主分類號: G21C3/60
• 分類號: G21C3/60
• 代理公司: 衡陽市科航專利事務(wù)所 43101
• 代理人: 曾樹林

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種核反應(yīng)堆燃料元件，特別是一種摻雜锝—99的核燃料元件。

背景技術(shù)

熱中子能譜反應(yīng)堆是目前世界核動力的主要堆型，大量的熱中子堆核電廠采用低濃鈾燃料，低濃鈾燃料中的鈾—238經(jīng)多次中子俘獲反應(yīng)后可生成次錒系核素，簡稱MA，這些次錒系核素的半衰期很長，個(gè)別可達(dá)10⁶年，放射性毒性很強(qiáng)；同時(shí)裂變反應(yīng)產(chǎn)生的部分長壽命裂變產(chǎn)物，簡稱LLFP，半衰期可達(dá)10⁷年。低濃鈾熱中子堆的乏燃料中產(chǎn)量最高的MA為镎—237，產(chǎn)量最高的LLFP為锝—99。MA的來源主要是鈾—238多次中子俘獲反應(yīng)，因此，從源頭上降低MA產(chǎn)量可通過降低低濃鈾燃料中鈾—238的數(shù)量實(shí)現(xiàn)。美國麻省理工學(xué)院在其論文中提出了降低低濃鈾燃料中鈾—238的惰性基質(zhì)燃料元件，該種燃料元件可大幅降低MA產(chǎn)量，但由于鈾—238數(shù)量的減少，燃料元件的多普勒系數(shù)很小，反應(yīng)的固有安全特性降低。通過廣泛的核數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)锝—99無論是在共振能區(qū)的能量區(qū)間還是共振峰值幅度方面均與鈾—238具有較大的相似性，同時(shí)，锝—99的熔點(diǎn)為2172℃，可在燃料芯塊燒制過程當(dāng)中摻雜在燃料中。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對惰性基質(zhì)燃料元件的多普勒系數(shù)小、反應(yīng)的固有安全特性低問題，而提供一種用锝—99替換部分鈾—238，利用锝—99的共振特性增強(qiáng)燃料元件的多普勒系數(shù)，降低MA產(chǎn)量，同時(shí)可嬗變部分锝—99的摻雜锝—99的核燃料元件。

一種摻雜锝—99的核燃料元件，包括鋯四合金包殼管、燃料芯塊、芯塊壓緊彈簧、上端塞、下端塞，燃料芯塊疊放入鋯四合金包殼管中，用芯塊壓緊彈簧壓緊后，包殼管上、下端口分別由上端塞、下端塞密封固定，其特征是燃料芯塊為锝—99與二氧化鈾的混合物，其中锝—99的核子密度與锝—99、二氧化鈾中鈾—238的核子密度之和的比值為10％～90％。

本發(fā)明利用锝—99的共振特性，采用锝—99部分替換低濃鈾燃料中的鈾—238，增強(qiáng)了多普勒系數(shù)，同時(shí)由于減少了鈾—238，使得反應(yīng)堆產(chǎn)生的次錒系核素減少，真正實(shí)現(xiàn)了減少核反應(yīng)堆次錒系產(chǎn)量，確保負(fù)瞬發(fā)溫度系數(shù)，嬗變核廢物锝—99的三重目的，增強(qiáng)了反應(yīng)堆的固有安全性。實(shí)驗(yàn)表明，采用锝—99摻雜后，對于初始富集度為0.711％、1.6％、2.4％、3.1％、3.9％、4.5％和5％的二氧化鈾燃料，多普勒系數(shù)可增大到原來的2.89、1.90、1.68、1.28、1.25、1.72和1.30倍。分別選取0.711％、1.6％、2.4％、3.1％、3.9％、4.5％和5％7種不同富集度的低濃鈾燃料多普勒系數(shù)基準(zhǔn)題，將基準(zhǔn)題中的鈾—238以10％的锝—99替換，其多普勒系數(shù)與二氧化鈾元件比較結(jié)果如下：

二氧化鈾元件與10％锝—99摻雜比例元件的多普勒系數(shù)

括號內(nèi)為10％锝—99摻雜比例元件的多普勒系數(shù)

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種摻雜锝—99的核燃料元件，包括鋯四合金包殼管3、燃料芯塊4、芯塊壓緊彈簧2、上端塞1、下端塞5，燃料芯塊4疊放入鋯四合金包殼管3中，用芯塊壓緊彈簧2壓緊后，包殼管3上、下端口分別由上端塞1、下端塞5密封固定，燃料芯塊4為锝—99與二氧化鈾的混合物，其中锝—99的核子密度與锝—99、二氧化鈾中鈾—238的核子密度之和的比值為10％～90％。燃料芯塊4制備過程中，先將二氧化鈾與锝—99粉末混合均勻，再將混合粉末壓制成型，并在高溫下燒結(jié)得到芯塊胚料，最后通過磨削，將芯塊胚料磨削成直徑7.5～8.5㎜、高11.3～12.8㎜的圓柱形燃料芯塊4。