[實用新型]一種可同時嬗變次錒系核素和長壽命裂變產物的快熱混合能譜臨界堆芯

有效

• 申請號: 201820649837.2
• 申請日: 2018-05-02
• 公開（公告）號: CN208173248U
• 公開（公告）日: 2018-11-30
• 發明（設計）人: 陳紅麗;方海濤;張喜林
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G21C5/12
• 分類號: G21C5/12;G21C5/20;G21F9/28
• 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;鄧治平

本實用新型公開了一種可同時嬗變次錒系核素和長壽命裂變產物的快熱混合能譜臨界堆芯，從堆芯中心向外依次為次錒系核素嬗變區、可裂變燃料增殖區、長壽命裂變產物嬗變區、反射層區和屏蔽層區，次錒系核素嬗變區以MOX和MA的混合物作為燃料；可裂變燃料增殖區以MOX作為燃料；長壽命裂變產物嬗變區以UO₂和LLFP混合物為燃料，在燃料組件壁和燃料棒包殼內增加石墨慢化層；反射層和屏蔽層由石墨、碳化硼和結構材料組成。堆芯的高能中子在次錒系核素嬗變區嬗變MA,在可裂變燃料增殖區實現核燃料的增殖，進入長壽命裂變產物嬗變區時被燃料組件壁和燃料棒包殼中的石墨層慢化為低能中子，可有效嬗變LLFP，提高中子的利用率，產能的同時實現嬗變次錒系核素和長壽命裂變產物。

技術領域

本實用新型屬于核工程技術領域，具體涉及一種用于同時嬗變次錒系核素和長壽命裂變產物的臨界反應堆堆芯。

背景技術

核電的大力發展給人類提供了大量的清潔能源，同時也帶來了許多的社會和環境問題。其中最亟待解決的是核電廠運行產生的大量高放廢物，如果處置不當會對人類和地球其他生物造成難以預料的放射性危害。特別是乏燃料中的長壽命高放廢物，包括Np、Am和Cm等次錒系核素(簡稱MA)以及⁹⁹Tc和¹²⁹I等長壽命裂變產物(簡稱LLFP)，不僅制約著核能的發展，而且對人類構成長期危害。

國際上目前有三種建議的核廢料處理方案，包括“一次通過”、“閉式循環”和“分離—嬗變”。“一次通過”是指乏燃料從反應堆卸出后經冷卻再深埋地下，“閉式循環”是指先將乏燃料短暫冷卻后進行后處理，回收其中的鈾和钚，然后將其余的乏燃料固化深埋地下。這兩種方案雖然成本低但具有很大的不確定性，一方面造成了資源的浪費，另一方面這些乏燃料隨時都有可能再進入生物圈循環，存在著遠期放射性風險問題。“分離—嬗變”是指通過化學方法將乏燃料中的高放核廢料包括次錒系核素(簡稱MA)和長壽命裂變產物(簡稱LLFP)分離出來，通過發生中子核反應,主要是中子俘獲反應(少量錒系重同位素可以發生裂變反應)，將這些長壽命高放射性核素轉變為短壽命核素或者穩定核素。

研究結果顯示，MA具有裂變閾，在1MeV以上才能明顯的裂變截面，在快中子能譜下具有較大的裂變俘獲比，嬗變MA需要消耗大量的高能中子，因此MA適合采用快中子堆嬗變。而LLFP需要嬗變的核素(主要有⁹⁹Tc和¹²⁹I等)不同于MA核素，這些長壽命裂變產物的熱中子反應截面比快中子反應截面高一個量級，因此LLFP適合采用熱中子堆嬗變。

在中國的示范快堆(CDFR)研究中，采用鈉冷快中子譜堆芯，有人提出將LLFP嬗變組件布置在MA焚燒快堆的反射層外層區，利用泄漏中子進行LLFP的嬗變。雖然這種布置可以有效的實現中子熱化，但單次放置的LLFP嬗變組件有限，只有一層，遠遠不能滿足嬗變需求；且LLFP嬗變會一直消耗中子，反應截面較少，需要較高的中子通量才能實現高效率嬗變，泄漏區中子通量水平能否保證達到較高的嬗變效率還需要進一步驗證。

在中國專利03152870.8和中國專利CN 102623078A中，中國科學院等離子體物理研究所和中國科學院合肥物質科學研究院分別公開了一種基于可裂變材料中子增殖的次臨界核廢料處理與核燃料生產的方法和系統和一種基于混合能譜的高效核廢料嬗變次臨界堆芯，均可以實現同時嬗變MA和LLFP的功能。但這些次臨界系統都需要由高能質子與靶材料發生散裂反應或者聚變反應來提供外源中子，目前質子打靶技術和聚變技術都不能提供穩定的外源中子，且這兩種技術成本較為昂貴，相關技術有待進一步研發。

實用新型內容