一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯的制作方法

文档序号:70221阅读:435来源:国知局
专利名称:一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯的制作方法
技术领域
本发明涉及一种加速器驱动次临界嬗变堆芯,具体涉及一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯。
背景技术
核废物最少化是核能可持续发展必须解决的关键问题之一。近几十年来,核能界一直在探索次锕系核素(MA)和长寿命裂变产物(LLFP)的最终处理办法,经过比较分析,找到核废物核素最终处理的办法就是分离与嬗变。
加速器驱动次临界系统(ADS)由于其固有安全性以及在嬗变核废物方面的优势,其工业前景得到普遍认可,成为核废物处理中热门的新型反应堆之一。当前,国际上正在研制的ADS主要包括以下四种方案:
A.美国阿贡国家重点实验室嬗变MA的熔盐堆方案;
B.欧洲的EFIT无束窗,嬗变MA的氧化物陶瓷燃料的方案;
C.日本的OMEGA计划中嬗变MA的氮化物燃料的方案;
D.韩国的快热耦合嬗变MA和LLFP的金属燃料方案。
方案A中使用熔盐燃料,其腐蚀性很强,燃料的净化提纯难度大。
方案B中MA的年嬗变率比较低,仅在4%左右,而且对于氧化物燃料,虽然其加工工艺比较成熟,但热力学性能一般。
方案C中MA的嬗变率高,但是需要富集90%以上的15N,燃料制造成本高。
而在方案D中,对于嬗变MA的燃料是合金燃料,该种燃料在高温化学处理时的相容性很好,而且能满足深燃耗的要求以及提供更硬的快中子能谱,更有利于提高MA的嬗变率,但是方案D为快热耦合的系统,在快区中的MA嬗变率并不高。

发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,本发明堆芯中子通量密度大,中子利用率高,堆芯结构简单,MA嬗变效率高。
本发明的设计思想为:利用快中子谱适合MA嬗变的特点,结合金属燃料能使堆芯能谱更硬的优点,提供了一种采用能满足加速器驱动次临界系统对燃料抗辐照和深燃耗要求的弥散体金属燃料的嬗变堆芯,并通过调整堆芯活性区的高度、外中子源与堆芯活性区的轴向相对位置等方法对堆芯进行优化,提高外中子源的利用效率,从而降低加速器质子束流流强,即降低了加速器驱动次临界系统对加速器技术的要求。通过对堆芯燃料区进行分区设计,展平堆芯径向功率峰。最后得到一个优化了的采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,从堆芯中心向外依次包括外中子源区1,缓冲区2、燃料区、LBE反射层区5、不锈钢反射层区6和屏蔽层区7,所述燃料区从内到外分为2 4区,每个燃料区中各装载多个结构、数量以及尺寸相同的燃料组件10,所述燃料组件10由多个三角形排列的燃料棒组成,所述燃料棒的材料为(TRU-1OZr)-Zr弥散体金属,所述燃料区中燃料棒材料中的钚Pu含量从内到外依次增加。
所述燃料区从内到外分为两个区,分别为燃料内区3和燃料外区4。
所述燃料区采用铅铋合金LBE作为冷却剂。
所述燃料组件10为无导向管六棱柱燃料组件。
所述外中子源区I放置一个液态铅铋合金LBE散裂靶。
所述缓冲区2的材料为铅铋合金LBE。
所述铅铋合金LBE反射层区5由一层铅铋合金LBE反射层组件组成,材料为不锈钢和铅铋合金LBE,不锈钢和铅铋合金LBE的体积百分比分别为80%和20%。
所述不锈钢反射层区6由一层不锈钢反射层组件组成,材料为不锈钢和铅铋合金LBE,不锈钢和铅铋合金LBE的体积百分比分别为40.31%和59.69%。
所述屏蔽层区7由两层屏蔽层组件组成,材料为碳化硼、不锈钢以及铅铋合金LBE,碳化硼、不锈钢和铅铋合金LBE的体积百分比分别为49.35%,31.97%和18.68%。
本发明和现有技术相比,具有如下优点:
1、本发明燃料区燃料棒的材料采用(TRU-1OZr)-Zr弥散体金属,弥散体金属燃料是从合金燃料发展而来,其除了拥有合金燃料的优点外,还能够克服合金燃料的某些缺点,比如在受辐照后的抗腐蚀性、深燃耗稳定性以及燃料的膨胀等方面性能更好。为堆芯提供更硬的中子能谱,有利于MA的嬗变,年嬗变效率高达15%左右,高于日本的方案年嬗变率10%。
2、对堆芯燃料区进行分区布置,各区Pu含量成一定的比例,在满足安全的条件下,功率峰密度小,最大值不超过450W/cm3。
3、对堆芯和外中子源区散裂靶进行优化,包括调整堆芯活性区的高度、外中子源与堆芯活性区的轴向相对位置,使得系统的外中子源利用效率高。
4、本发明堆芯在整个运行时期内,系统的燃耗反应性变化稳定,所需质子束流流强小且稳定。
本发明外中子源使用由高能的质子束轰击重核素靶件发生散裂反应而产生的散裂中子;散裂中子能谱硬,驱动燃料区中燃料发生裂变,产生更多的中子;中子到达LBE反射层区和不锈钢反射层区被反射回来,堆芯中子通量密度大,中子利用率高,堆芯结构简单,MA嬗变效率高,并且采用铅铋合金LBE作为冷却剂将燃料区产生的能量带出堆芯,同时进行产能。


图1是本发明堆芯的径向布置图。
图2是本发明堆芯的轴向布置图。
图3是本发明燃料组件的横截面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明结构进行详细说明。[0034]如图1所示,本发明一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,以两区的燃料区为例,从堆芯中心向外依次包括外中子源区1,缓冲区2、燃料内区3、燃料外区4、LBE反射层区5、不锈钢反射层区6和屏蔽层区7,堆芯总高度为290cm,直径为359.4cm,其中活性区高度为110cm,直径为226.8cm。
如图2所示,燃料内区3和燃料外区4的轴向下端为50cm高的不锈钢反射层6,轴向向上依次为I IOcm高度的气室8、20cm高度的不锈钢反射层6。外中子源区I提供外中子源驱动燃料内区3和燃料外区4中的燃料发生裂变反应,产生的能量由燃料区的LBE冷却剂带出堆芯。外中子源区I放置一个直径为38.8cm,高为130cm的液态铅铋合金LBE散裂靶,散裂靶上部与直径为10cm,高为160cm的质子束导管9相连,外中子源区I与质子束导管9的连接处可选用有束窗或无束窗,有束窗时,束窗形状为半椭圆体,高能强流直线质子加速器产生的能量为1.5GeV,半径为10cm,沿半径呈抛物线分布的质子束通过质子束导管9轰击外中子源区I中的液态LBE散裂靶,产生高能散裂中子,作为驱动燃料裂变的外源中子。
缓冲区2的作用是将外中子源区I与堆芯其它部分中的液态铅铋合金隔离。
反射层区5和不锈钢反射层区6分别由一层LBE反射层组件和I层不锈钢反射层组件组成,两种反射层主要是由液态LBE和结构材料组成,将燃料区中的中子反射回去。
屏蔽层区7由两层屏蔽层组件组成,材料为碳化硼和LBE,主要是吸收从反射层泄漏出来的中子,减少堆芯的中子泄漏。
燃料内区3和燃料内区4各装载72个无导向管六棱柱燃料组件10。
如图3所示,每个无导向管六棱柱燃料组件10由271个燃料棒组成,三角形排列。无导向管六棱柱燃料组件10高度为290cm,组件间距为175.8mm,燃料棒芯块11的直径为6mm,燃料棒的外径7.12mm,棒间距10.68mm,燃料棒包壳12的厚度0.56mm,包壳12的材料为HT9不锈钢,燃料棒周围为铅铋合金冷却剂13。
本发明的工作原理为:由直线质子加速器产生的1.5GeV的质子束通过质子束导管9轰击外中子源区I中的铅铋合金LBE散裂靶,从而在外中子源区I中发生散裂反应并产生高能散裂中子;高能散裂中子通过缓冲区2到达燃料内区3和燃料外区4,驱动燃料内区3和燃料外区4中燃料发生裂变,裂变产生的气体进入气室8,降低燃料棒内压。燃料的裂变即实现了核废物的嬗变,并利用燃料裂变释放的能量进行产能。
本发明提供的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,其堆芯的热功率为1000MW,从次临界系统的安全方面考虑,初始无源有效增殖系数keff为0.97左右,为了提高外源的利用效率,外中子源区I的散裂靶高度为130cm,堆芯活性区高度为110cm。为了使得初始无源有效增殖系数keff为0.97,调节燃料内区3和燃料外区4中的燃料组成,设计不同的燃料装载案例,得到一个最优的燃料装载方案,在满足一定的嬗变能力(高于国际上其它的堆芯方案)条件下,使得燃耗反应性的变化尽量小,质子束流流强小且稳定,降低了直线质子加速器的要求,有利于实现ADS工业化。
权利要求
1.一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,从堆芯中心向外依次包括外中子源区(1),缓冲区(2)、燃料区、LBE反射层区(5)、不锈钢反射层区(6)和屏蔽层区(7),其特征在于:所述燃料区从内到外分为2 4区,每个燃料区中各装载多个结构、数量以及尺寸相同的燃料组件(10),所述燃料组件(10)由多个三角形排列的燃料棒组成,所述燃料棒的材料为(TRU-1OZr)-Zr弥散体金属,所述燃料区中燃料棒材料中的钚Pu含量从内到外依次增加。
2.根据权利要求
1所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,其特征在于:所述燃料区从内到外分为两个区,分别为燃料内区(3)和燃料外区(4)。
3.根据权利要求
1所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,其特征在于:所述燃料区采用铅铋合金LBE作为冷却剂。
4.根据权利要求
1所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,其特征在于:所述燃料组件(10)为无导向管六棱柱燃料组件。
5.根据权利要求
1所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,其特征在于:所述外中子源区(I)放置一个液态铅铋合金LBE散裂靶。
6.根据权利要求
1所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,其特征在于:所述缓冲区(2)的材料为铅铋合金LBE。
7.根据权利要求
1所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,其特征在于:所述铅铋合金LBE反射层区(5)由一层铅铋合金LBE反射层组件组成,材料为不锈钢和铅铋合金LBE,不锈钢和铅铋合金LBE的体积百分比分别为80%和20%。
8.根据权利要求
1所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,其特征在于:所述不锈钢反射层区(6)由一层不锈钢反射层组件组成,材料为不锈钢和铅铋合金LBE,不锈钢和铅铋合金LBE的体积百分比分别为40.31%和59.69%。
9.根据权利要求
1所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,其特征在于:所述屏蔽层区(7)由两层屏蔽层组件组成,材料为碳化硼、不锈钢以及铅铋合金LBE,碳化硼、不锈钢和铅铋合金LBE的体积百分比分别为49.35%,31.97%和18.68%。
专利摘要
一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯,从堆芯中心向外依次包括外中子源区,缓冲区、燃料区、LBE反射层区、不锈钢反射层区和屏蔽层区,所述燃料区从内到外分为2~4区,每个燃料区中各装载多个结构、数量以及尺寸相同的燃料组件,所述燃料组件由多个三角形排列的燃料棒组成,所述燃料棒的材料为(TRU-10Zr)-Zr弥散体金属,所述燃料区中燃料棒材料中的钚Pu含量从内到外依次增加;本发明燃料区燃料棒的材料采用(TRU-10Zr)-Zr弥散体金属,为堆芯提供更硬的中子能谱,有利于MA的嬗变,年嬗变率高达15%左右,高于日本的方案年嬗变率10%;对堆芯燃料区进行分区布置,各区Pu含量成一定的比例,在满足安全的条件下,功率峰密度小,最大值不超过450W/cm3。
文档编号G21C3/02GKCN103093837SQ201310014692
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月15日
发明者吴宏春, 李勋昭, 郑友琦 申请人:西安交通大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan
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