一种压水堆嬗变MA核素的核燃料设计方法

本发明属于核燃料，更具体地说，本发明涉及一种压水堆嬗变ma核素的核燃料设计方法。

背景技术：

1、核电站的建立标志着人类在能源领域跨过了新的里程碑，但反应堆在产生大量能量的同时，也会带来大量乏燃料，其后处理一直是限制核电事业发展的重要因素，次锕系核素(minor actinides，又称ma核素)是乏燃料中的长寿命高放射性废物之一，对环境有着长期的潜在威胁。将乏燃料中的ma核素进行嬗变，可将其在中子场中通过核反应转变为短寿命或稳定核素，消除其高放射性的危害。为研究向压水堆核燃料中添加ma核素，是否能提升燃料性能，并起到降低乏燃料中ma核素浓度的作用。

2、乏燃料是指在反应堆中经历核反应和辐射照射后的核燃料，包含可增殖材料、易裂变材料和超铀材料等，具有大量的放射性。以我国核电站的商用压水堆为例，乏燃料中的大量长寿命放射性核素可分为两种：锕系核素和长寿命核素。主要的锕系核素包括237np、241am、243am、244cm、245cm等。ma核素虽在乏燃料中比例极小，但由于其长半衰期和强放射性，ma核素难以通过地质掩埋等方式进行妥善处理，因此被视作对人类和环境安全的长期潜在威胁，当前对乏燃料中的ma核素如何处理已成为核电发展的阻力因素之一。

3、对于乏燃料的处理，目前主要有两种途径：一次通过(开式循环)和后处理燃料循环(闭式循环)。一次通过是指将乏燃料进行较长时间的冷却贮存后，直接进行地质掩埋，通过自然衰变降低其放射性。该方法虽然短期风险低能有效防止核扩散，但稳定性差，对环境长期威胁较大。后处理燃料循环是指将乏燃料短期冷却后，对其中的可再利用核素如铀和钚等进行回收，对产生的高放射性废液经过固化后再进行地质处理。该方法虽然能提高铀和钚的利用率，但成本较高，且仍存在对环境的潜在长期放射性危害。

4、分离-嬗变技术，这是目前国际上公认的能有效降低乏燃料放射性的方式，它是指将长寿命放射性核素分离出来，在反应堆中子场中通过中子照射，使其发生裂变、俘获等核反应转化为短寿命或稳定核素。嬗变是目前唯一可以缩短放射性核素寿命的方法。目前，能提供中子源嬗变的设施主要有热中子堆、快中子堆以及加速器驱动的次临界装置(ads装置)等，由于压水堆是目前全世界范围内的主要应用堆型，也是我国的商用核电堆型，每年会产生大量乏燃料，因此有关压水堆的嬗变研究非常重要。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种压水堆嬗变ma核素的核燃料设计方法，包括：

3、向核燃料中添加一定质量分数的ma核素，使用优劣解距离法评估添加ma核素后的核燃料在堆芯中的keff、ma核素浓度、放射性活度和安全参数，得到最优ma核素添加方案。

4、优选的是，其中，所述ma核素包括：56.2wt％的237np、26.4wt％的241am、12wt％的243am、5.12wt％的244cm和0.28wt％的245cm。

5、优选的是，其中，所述ma核素的添加质量百分比为0～5％。

6、优选的是，其中，所述核燃料为uo2燃料、(th,u)o2燃料或mox燃料中的一种。

7、优选的是，其中，所述uo2燃料包括235uo2和238uo2，其中堆芯中燃料组件包括2.4％、3.3％、4.4％三种235u富集度，其中堆芯内区由235u富集度为2.4％、3.3％的燃料组件交错排布构成，堆芯外围由235u富集度为4.4％的燃料组件环绕。

8、优选的是，其中，所述(th,u)o2燃料包括235uo2和232tho2，且堆芯中所有燃料组件的235u富集度均为4.4％。

9、优选的是，其中，所述mox燃料包括238uo2和puo2，其中pu在堆芯燃料中的比例为6.33wt％，pu包括2.5wt％的238pu、53wt％的239pu、23.5wt％的240pu、15wt％的241pu、6wt％的242pu。

10、优选的是，其中，使用优劣解距离法评估添加ma核素后的核燃料在堆芯中的keff、ma核素浓度、放射性活度和安全参数的具体方法包括：

11、步骤一、分别将keff、ma核素浓度、放射性活度和安全参数，定义为四个标准，每个标准包括多个子标准，定义每个子标准具有相同的权重，其中，keff对应的标准包括堆芯寿期初keff值和堆芯寿期末keff值；ma核素浓度对应的标准包括各ma核素在堆芯寿期初和堆芯寿期末的浓度；放射性活度对应的标准包括ma和非ma核素在堆芯寿期初和堆芯寿期末，以及在乏燃料中刚停堆时和停堆650天后的放射性；安全参数对应的标准包括燃料温度系数αt、缓发中子有效份额βeff和空泡反应系数αv；根据以上标准分别建立决策矩阵；

12、步骤二、将决策矩阵中的不同标准转化为极大型指标，得到正向矩阵；

13、步骤三、将正向矩阵标准化，得到标准化矩阵；

14、步骤四、定义每个评价指标中的最优值和最劣值，即找到标准化矩阵中每一列元素的最大值和最小值，得到最大值集合和最小值集合；计算评价对象与最优解和最劣解的距离，与最优解距离最近，与最劣解距离最远的就是最佳的评价对象，即得到最优ma核素添加方案。

15、本发明至少包括以下有益效果：本发明通过向燃料中添加ma核素(237np、241am、243am、244cm和245cm)，降低了乏燃料中的ma核素浓度，在uo2和(th,u)o2两种燃料中都起到了明显的效果，尤其是(th,u)o2+0.5wt％ma燃料中的ma浓度由寿期初的407kg降低到了寿期末的159kg，是三种燃料中嬗变ma核素效果最好的燃料；

16、燃料放射性活度随燃耗加深而增长，添加ma燃料的放射性活度在堆芯寿期初高于未添加ma的燃料，在堆芯寿期末逐渐低于不添加ma燃料。在堆芯寿期末，mox+0.5wt％ma燃料的锕系核素放射性活度为3.54×109ci，非锕系核素放射性活度为3.63×108ci，分别为同时期三种燃料中放射性活度最低；停堆后650天，(th,u)o2+0.5wt％ma燃料锕系元素放射性活度为6.87×106ci，非锕系元素放射性活度为2.53×107ci，分别为同时期三种燃料放射性活度最低；

17、本发明计算研究了燃料的三种安全参数：燃料温度系数(αt)、缓发中子有效份额(βeff)和空泡反应性系数(αv)。当燃料温度从600k上升到900k时，mox+0.5wt％ma燃料的αt为-2.692pcm/k，是三种燃料中αt的绝对值最大值。(th,u)o2+0.5wt％ma燃料的βeff为670pcm，大于另外两种燃料。本文计算了空泡率为1％的情况下三种燃料的αv，(th,u)o2+0.5wt％ma燃料的αv为-6722pcm/1％,是三种燃料αv的绝对值最大值。

18、为了评价燃料的综合性能，本发明使用了优劣解距离法(topsis)对燃料进行优劣评估：在keff随燃耗变化方面，mox+0.5wt％ma燃料具有更好的性能，其keff随燃耗下降趋势最为平缓，有利于堆芯寿期内的反应性控制；在ma核素浓度随燃耗变化方面，(th,u)o2+0.5wt％ma燃料具有更好的性能，是三种燃料中嬗变ma核素效果最好的燃料；在放射性活度变化方面，(th,u)o2+0.5wt％ma燃料具有更好的性能，其放射性活度是三种燃料最低的；在安全参数方面，(th,u)o2+0.5wt％ma燃料具有更好的性能，其安全参数在符合压水堆堆芯设计标准的同时，每个参数均位于使反应堆能安全运行的更优趋势。

19、对以上四个标准的得分建立决策矩阵，进行综合评价，最终得出结论：(th,u)o2+0.5wt％ma燃料不仅能有效嬗变ma核素，还能使堆芯安全参数维持在符合压水堆堆芯设计标准的范围内。

20、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。