[發明專利]一種外源驅動的正方形排列的徑向功率展平堆芯

在審

• 申請號: 201410053358.0
• 申請日: 2014-02-18
• 公開（公告）號: CN103839601A
• 公開（公告）日: 2014-06-04
• 發明（設計）人: 陳忠
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: G21C21/00
• 分類號: G21C21/00
• 代理公司: 北京市金棟律師事務所 11425
• 代理人: 邢江峰

技術領域

本發明涉及一種核反應堆堆芯設計，具體涉及一種外源驅動的正方形柵格排列反應堆堆芯設計方案。

背景技術

目前世界和中國均面臨化石能源枯竭所導致的能源危機和化石燃料燃燒所衍生的溫室效應問題。為應對能源世界的這一嚴峻局面，世界各國均非常重視發展可再生能源和新能源。考慮所有綜合因素后，核能影響環境程度最小，且核電廠能提供連續的電力需求，并不受氣候影響，加之核燃料運輸與儲存方便、發電成本穩定、核電技術與產業化成熟等優勢，核能被公認為是目前最有希望可大規模替代化石能源的一次能源，并得到大力發展。

伴隨世界和中國的核能快速發展而來的核廢料問題，最受社會公眾關注、最為迫切需要解決。核廢料處理問題中，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5800萬千瓦，預計2020年當年我國乏燃料將達1450噸，屆時我國乏燃料累積量將達到約1.5萬噸，其中次錒系核素(MA)約12噸，钚約120噸，長壽命裂變產物(LLFP)約18噸。這些核廢料壽命長、放射毒性大，不到核反應堆乏燃料總量的3%，卻集中了乏燃料99%以上的放射性，對地球上的生命具有很大的危險性。面對這種嚴峻的局面，如何妥善處理高放核廢料，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，國際上有兩種主流的乏燃料處理管理技術路線，一種是以美國卡特政府為代表的“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。“一次通過”循環方式指卸載并冷卻后的乏燃料經核化學處理工藝流程后所獲得的高放核廢料再通過水泥或玻璃固化等方式包裝，直接進行深地質處置。但該處理方案面臨百萬年后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。國際上目前提出了基于“閉式燃料”循環的先進核燃料循環即分離-嬗變（PT）戰略，該技術管理路線是指通過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，將高放廢料中的次錒系元素和長壽命裂變產物分離出來，利用嬗變裝置中將長壽命高放廢料轉變為短壽命低放核素或穩定核素。

先進核燃料閉式循環方案中，加速器驅動次臨界堆（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、經濟效益、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”。基于核廢料嬗變相關理論，在低于現有技術極難達到的熱中子通量10¹⁶n/cm²/s水平下，快中子適于嬗變MA，熱中子則適于嬗變LLFP。ADS中散裂反應所產生的散裂中子和核燃料發生裂變反應產生的裂變中子屬于快中子，這些中子的能量均大于MA的裂變閾，因此適于嬗變MA。上世紀80年代以后，由于技術的發展和嬗變核廢料的緊迫性，國際上對使用ADS嬗變核廢料的研究日趨活躍，特別是上世紀90年代Rubbia提出“能量放大器”概念以來，國際上各主要核電大國均對利用ADS嬗變核廢料開展了研究，美國、歐盟、日本、俄羅斯和韓國等均提出了各自的國家計劃并制定了發展路線圖，并以此開展相關研究。

對于ADS，由于很強外中子源的存在，中子價值在堆芯中分布很不均勻，從而導致了堆芯的徑向功率分布不均勻問題。為解決該ADS難點問題，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，但均沒有對燃料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。

在中國專利CN103077758A中，中國科學院合肥物質科學院公開了一種徑向功率展平的高效核廢料嬗變次臨界堆及設計方法，提出了展平三角形排列堆芯的徑向功率的概念和數學方法。但該專利沒有將展平堆芯徑向功率概念和該數學方法應用到正方形柵格排列的堆芯中，而正方形柵格排列則是現有多數反應堆通用和部分ADS反應堆設計方案所采用的燃料組件排列方式；另外，由于設計目標的原因該專利中的核燃料核芯采用了TRU，未考慮采用鈾、钚燃料的ADS反應堆用以發電和增殖核燃料的其他用途。

發明內容