一种用于聚变裂变混合堆的新型包层燃料管理方法
【技术领域】
[0001]本发明属于先进核能系统技术领域，具体为一种用于聚变裂变混合堆的新型包层燃料管理方法。
技术背景
[0002]核能是一种既清洁又经济的能源，有着巨大的发展潜力。为了应对能源危机和环境污染问题，核能的重要性越来越大。但是裂变核电站发展过程中引起了不容忽视的问题，如燃料短缺、高放射性废料的处理、核辐射安全及核不扩散问题。为了解决这些问题，聚变裂变混合堆提供了非常高竞争力的解决方法。
[0003]聚变裂变混合堆是核能研宄的重要方向之一，其原理是利用聚变反应产生的中子，在裂变包层中引起裂变反应，来达到能量产生、核燃料增殖和核废料嬗变的目的。其特点是在包层中放置裂变燃料，用来实现能量放大和中子倍增，故聚变裂变混合堆相对于纯聚变堆只需要较低的等离子体堆芯参数和材料要求。在目前纯聚变还需要较长时间发展的情况下，发展聚变裂变混合堆能够实现对聚变能的早期利用。另一方面，聚变裂变混合堆的中子源是平均能量为14MeV的聚变中子，中子能谱比常规轻水堆、采用相同冷却剂的快堆的中子能谱硬，因此聚变裂变混合堆的核废料嬗变的能力强。聚变裂变混合堆运行在深度次临界状态，避免了发生超临界事故的可能，保证了反应堆的安全性。
[0004]聚变裂变混合堆的研宄最早开始于1954年，由美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的ImohofT领导，主要目的是为了增殖核燃料其后陆续开展了利用聚变裂变混合堆生产能量、嬗变核废料的研宄工作。上世纪80年代后期，美苏出于核不扩散的考虑，提出停止研宄聚变裂变混合堆。1998年后，国际上又重新重视对聚变裂变混合堆的研宄，主要的研宄活动集中于美国、日本和土耳其，主要集中在抑制裂变包层和快裂变包层方面，以及利用聚变裂变混合堆嬗变核废料方面。
[0005]我国在聚变裂变混合堆方面的研宄起始于1980年，主要在中科院等离子体物理研宄所(ASIPP)，核工业西南物理研宄院(SWIP)、原子能研宄院(CIAE)以及中国工程物理研宄院(CAEP)进行概念设计，重点开展核燃料增殖和核废料嬗变方面的研宄。在“863”计划的支持下，以ASIPP和SWIP为主的科研人员设计了以增殖核燃料为目标的实验混合堆TETB, TETB-1I，商用混合堆TCB等一系列概念设计和改进条件。后来相继有实际了实验型增殖混合堆设计(FEB)和FEB-E。“863”计划结束后，国内主要进行了聚变裂变混合核废料嬗变堆概念的研宄，期间主要的工作是由中国科学院核能安全技术研宄所先进核能研宄团队提出了一系列聚变裂变混合堆概念设计(FDS-1、FDS-SFB及FDS-MFX)。
[0006]从近期的国内外聚变裂变混合堆研宄趋势上可以看出，基于较为容易实现的等离子体堆芯技术和成熟的裂变电站技术发展聚变驱动次临界堆已经成为新的研宄热点和发展趋势。为了早日实现聚变能的应用，选用低聚变功率的堆芯作为混合堆包层的驱动器更具现实可行性，但聚变裂变混合堆包层设计时却面临着以下几个方面的关键问题:
[0007](I)为了达到聚变裂变混合堆的设计目的，如产能发电、增殖核燃料或嬗变核废料，包层燃料管理按照目前的一次通过方式，即包层燃料在一个寿期内便卸料，包层燃料的利用效率(可用燃耗深度衡量)较低，从而导致聚变裂变混合堆的整体经济性较低。
[0008](2)混合堆包层如果仅采用单层结构，即包层燃料中使用单种燃料(易裂变燃料、核废料或可裂变燃料)，都有着对聚变中子利用率不高的问题，比如易裂变燃料对快中子利率较低，核废料和可裂变燃料对热中子利用率较低。
【发明内容】
[0009]本发明的技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种用于聚变裂变混合堆的新型包层燃料管理方法，内外包层能够通过转换滑轨快速更换空间位置的方式，充分利用聚变快热中子，解决了当前聚变裂变混合堆包层燃料利用率较低的现象，实现包层较高的燃耗深度，从而提高混合堆整体的经济性。
[0010]本发明的技术解决方案:一种用于聚变裂变混合堆的新型包层燃料管理方法，其特征在于:内包层模块(I)、外包层模块(2)、屏蔽模块(3)和环形屏蔽层(4)、径向滑轨(5)及环向滑轨出)；所述的内外包层模块沿径向布置，外包层模块(2)安装在内包层模块(I)外侧；屏蔽模块⑶填补内包层模块⑴和外包层模块⑵间的空隙，环状屏蔽层⑷布置在外包层模块外侧；径向滑轨(5)布置在内、外包层模块与屏蔽层的连接处，环向滑轨(6)布置在环形屏蔽层(4)外侧；
[0011]其中，当聚变裂变混合堆运行一段时间后，径向滑轨(5)启动，首先将内外包层模块一起移出；然后环向滑轨(6)启动，将内包层模块(I)沿环向转动一个包层尺寸的距离后停止；径向滑轨(5)再次启动，将外包层模块(2)沿径向往堆芯移动；移动到原先内包层的位置后停止；最后在原先外包层模块的位置补充新的包层模块，完成一次混合堆包层的燃料管理过程；
[0012]内包层模块⑴、外包层模块(2)尺寸大小一致，其数量为24?32个模块。数量为多少范围。
[0013]屏蔽模块(3)与最外层的环形屏蔽层(4)材料相一致，采用硼、石墨、富氢化合物的一种或几种，其中硼质量百分比为30%?60%，石墨质量百分比为50%?80%，剩余部分使用富氢化合物。本发明具体实施可以在聚变驱动的次临界系统(FDS)的包层换料的燃料管理中应用和加速器驱动的次临界系统(ADS)的堆芯换料的燃料管理中应用等。
[0014]本发明与现有技术相比的优点在于:
[0015](I)本发明利用双层包层设计即内包层模块、外包层模块，聚变反应产生高能快中子先与内包层模块中的燃料进行反应，经过多次碰撞后到达外包层模块内部的主要是热中子。经过一个燃耗寿期后外包层模块替换内包层模块，新的包层模块补充到外包层模块，这样包层中的燃料都会有快热中子进行反应，从而能够充分地将包层中的燃料利用。
[0016](2)本发明中的内外包层能够通过环向滑轨和径向滑轨的配合，实现空间快速转换；然后原先的内包层模块卸掉进