[發明專利]徑向功率展平的高效核廢料嬗變次臨界堆芯及設計方法

有效

• 申請號: 201210591650.9
• 申請日: 2012-12-31
• 公開（公告）號: CN103077758A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 陳忠;柏云清;汪衛華;蔣潔瓊;曾勤
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G21C21/00
• 分類號: G21C21/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明

技術領域

本發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及設計方法。

背景技術

核廢料處理問題，尤其是乏燃料中次錒系核素的處理問題一直是世界性的難題。隨著我國經濟的快速增長，能源需求尤其是核能需求急劇增加，帶動了我國壓水堆核電站裝機容量的快速增長，核廢料的積累量由此快速增加。根據我國核電的中長期規劃，2020年我國核電運行裝機容量將達到4000萬千瓦，屆時乏燃料累積存量將達到約1萬噸，其中钚約100噸，次錒系核素(MA)約10噸，長壽命裂變產物(LLFP)約15噸。這些核廢物壽命長、放射毒性大，日益增多，長期威脅人類的生存環境。面對這種嚴峻的局面，如何妥善處理、處置核高放廢物，使核廢物最少化，以確保子孫后代的環境安全和我國核能的可持續發展，是一個必須解決的重大問題。

目前，國際上主要有三種乏燃料處理方案，一種是以美國為代表的“一次通過”循環策略，一種是以歐盟為代表的“閉式燃料”循環策略，還有一種就是通過太空飛行器直接將乏燃料投放到太空。最后一種方案對環境沒有任何影響，但是就目前技術程度來看實現極為困難，且面臨太空發射失敗導致核廢擴散的風險，而前面兩種則是國際上對乏燃料的主要管理技術路線。“一次通過”循環方式指乏燃料經較長時間冷卻后再通過水泥或玻璃固化等方式包裝，直接進行深地質處置。但該處理方案面臨由于地質運動或包裝物破裂等原因導致的放射性釋放風險以及鈾、钚資源浪費問題。“閉式燃料”循環方式指采用后處理工藝流程分離并回收乏燃料中的鈾和钚，將其返回到反應堆中進行循環使用。國際上目前正在研發一種先進的閉式燃料循環即分離-嬗變（PT）戰略，即是采用化學或高溫電化學等分離工藝，除對鈾和钚回收利用外，并將高放廢物中的次錒系元素和長壽命裂變產物分離出來，利用核反應堆、加速器等嬗變裝置中將長壽命高放廢物轉變為短壽命低放核素或穩定核素。

核燃料閉式循環方案中，加速器驅動次臨界系統（Accelerator?Driven?Sub-critical?System，ADS）是目前致力于嬗變放射性核廢料、有效利用核資源及產出能量的理想裝置，具有良好的資源效益、環境效益、安全效益和社會公眾效應。國際原子能機構IAEA把ADS列入新型核能系統中，并稱之為“新出現的核廢料嬗變及能量產生的核能系統”。從核廢料嬗變技術角度看，在熱中子通量低于10¹⁶水平下（該中子通量水平現有技術極難達到），TRU適合用快中子嬗變，LLFP則適合用熱中子嬗變。ADS嬗變系統中由散裂反應產生的散裂中子在與燃料發生裂變反應產生的裂變中子屬于快中子，適合于嬗變TRU。在現有的ADS嬗變系統概念設計中，用于嬗變TRU的有美國的ATW計劃，歐盟的EFIT計劃、日本的OMEGA計劃、俄羅斯的CSMSR計劃和韓國的HYPER計劃。

在國際上所研究的ADS計劃中，由于外中子源的存在，次臨界堆芯徑向中子通量分布不均勻，導致次臨界堆芯的徑向功率分布不均。為解決該問題，各國不約而同地采用了多層燃料分區方式以展平次臨界堆芯徑向功率，但均沒有對嬗變分區的幾何布置方式開展研究，基于此幾何布置的堆芯也未見文獻報道。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種徑向功率展平的高效率核廢料嬗變次臨界堆芯，通過獨特的嬗變燃料分區幾何厚度分層結構布置展平嬗變燃料區的徑向功率，在嬗變TRU的同時提高發電效率。

本發明采用的技術方案為：一種徑向功率展平的高效核廢料嬗變次臨界堆芯的設計方法，該反應堆為三角形布置堆芯布局，基于中子物理學和熱工水力原理引入數學方差方法，并根據反應堆通用的3批換料方案，將嬗變燃料區徑向分為三個燃料區，由內到外分別是低濃度TRU嬗變燃料區，中濃度TRU第二嬗變燃料區和高濃度TRU第三嬗變燃料區，得出方差最小的嬗變燃料區分區模型，根據該分區模型設計第一嬗變燃料區、第二嬗變燃料區、第三嬗變燃料區的徑向幾何厚度，實現三角形布置反應堆徑向展平功率的目標。