一種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動次臨界反應堆的散裂靶的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動次臨界反應堆的散裂靶，涉及核能【技術領域】，其特點是：散裂靶的堆芯呈三角形柵格排列，從中心向外依次為質子束流(1)、液態重金屬散裂靶(2)、裂變燃料區(3)、軸向反射區(4)、軸向屏蔽區(5)、徑向反射區(6)和徑向屏蔽區(7)。基于采用TRU彌散金屬燃料的所在堆芯，應用反應堆物理和散裂靶物理原理，以嬗變性能為評價指標進行了散裂靶幾何的優化。基于該優化散裂靶，其所在堆芯可在不改變堆芯結構與材料組成分布的狀態下，具備固定功率運行模式下獲得相同的MA嬗變性能，降低質子束流流強并提高反應堆能量增益因子，固定質子束流流強運行模式下獲得更高MA嬗變性能的功能。
【專利說明】-種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動次臨界 反應堆的散裂靶
【技術領域】
[0001] 本發明涉及核能【技術領域】，具體涉及一種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速 器驅動次臨界反應堆的散裂靶設計方案。
【背景技術】
[0002] 世界和中國均面臨能源危機和溫室效應問題。為應對這一嚴峻局面，世界各國均 非常重視發展可再生能源和新能源并開展了相關研究。綜合所有相關因素后，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。
[0003] 伴隨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，核廢料的累積量由此快速增加。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，使核廢料最少化，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。國際上現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"循環方式指將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 放核廢料通過水泥或玻璃固化等方式包裝，直接進行深地質處置。該處理方案工藝流程較 簡單，但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，所回收的鈾和钚再返回到反應堆中進行循環使用。目前，國際上提出了基于"閉式燃料" 循環的先進核燃料循環即分離-嬗變（P-T)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。
[0004] 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將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l〇 16n/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Μ的裂變閾， 因此適于嬗變ΜΑ。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。
[0005] 加速器驅動次臨界反應堆ADS由外源驅動誘發裂變。因為次臨界，僅靠 ADS反應 堆自身的裂變無法實現中子的鏈式反應自持。因此，次臨界的ADS必須通過注入外源中子 以維持其鏈式反應。ADS的外中子源是由高能質子打擊散裂靶產生，外源中子主要分布于 散裂靶。因此，ADS的外源相關效應與散裂靶密切相關。CERN的Kadi、Latin School of Chicago的Ciprian Zahan以及國內西北核技術研究所的萬俊生、中國原子能科學研究院 樊勝等人均開展了相應散裂靶設計優化工作。但截止目前為止，均沒有發現有以嬗變性能 為指標開展散裂靶的設計優化，且涉及到堆芯的此類相關文獻中均未采用TRU燃料。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于，提供一種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動次臨 界反應堆的散裂靶，基于采用TRU彌散金屬燃料的次臨界堆芯，應用反應堆物理和散裂靶 物理原理，以嬗變性能為評價指標進行了散裂靶幾何優化，實現該堆芯低質子束流流強、高 能量增益和高效嬗變MA核廢料的目的。
[0007] 為達到上述目的，本發明是按照以下技術方案實施的：
[0008] -種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動次臨界反應堆的散裂靶，其材 料采用液態鉛鉍合金，無窗，按徑向從其中心向外依次為質子束流、液態鉛鉍合金靶。該散 裂靶所在堆芯布局為：堆芯為三角形柵格排列，采用六角形組件形式，按徑向從其中心向外 依次為質子束流（1)、液態鉛鉍合金靶（2)、裂變燃料區（3)、軸向反射區（4)、軸向屏蔽區 (5)、徑向反射區（6)和徑向屏蔽區（7)。質子束流能量設計為1.5GeV，通過中高能強流質 子加速器產生，流強可調，該高能質子束轟擊液態鉛鉍合金靶所產生的散裂中子作為驅動 裂變燃料區（3)的外中子源；裂變燃料區（3)使用MA/Pu = 7/3的TRU彌散金屬燃料作為 核燃料，由外中子源區提供的散裂中子在裂變燃料區（3)使燃料發生裂變反應從而嬗變并 產生能量；軸向反射區（4)和徑向反射區（6)采用液態鉛鉍和不銹鋼作為反射材料；軸向 屏蔽區（5)采用液態鉛鉍和不銹鋼為主體材料；徑向屏蔽區（7)使用碳化硼作為屏蔽材料。 根據加速器驅動次臨界堆嬗變MA的目標，基于反應堆物理和散裂靶物理原理，以歸一到單 一質子的全堆的MA嬗變性能作為評價指標表征相同MA嬗變性能情況下外源幾何的嬗變效 果，根據次臨界堆芯物理模型，進行了散裂靶物理和中子學輸運燃耗計算分析，優化了散裂 靶幾何結構，實現堆芯在固定功率運行模式下低質子束流流強和固定質子束流流強運行模 式下高嬗變性能的目的。
[0009] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0010] 1.本發明提供的低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動次臨界反應堆的 散裂靶，能夠實現反應堆在固定功率運行模式下降低質子束流流強、在固定質子束流流強 運行模式下高效嬗變核廢料的目的。
[0011] 2.本發明相比于國際上的ADS散裂靶設計研究方案，本發明提供的加速器驅動次 臨界反應堆的散裂靶，應用反應堆物理和散裂靶物理原理，引入歸一到單一質子的全堆的 Μ嬗變性能作為評價指標對散裂靶的幾何結構進行了計算優化，可以在保持高核廢料嬗變 性能的同時獲得很好的降低質子束流流強、提高能量增益因子的效果。
[0012] 3.本發明相比于國際上的ADS設計研究方案，本發明提供的加速器驅動次臨界反 應堆的散裂靶，堆芯采用了 MA/Pu = 7/3的TRU彌散金屬燃料作為核燃料，可以獲得更高效 嬗變核廢料且具有良好固有安全性的效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發明的徑向布置圖；
[0014] 圖2是本發明的軸向布置圖。
【具體實施方式】
[0015] 目前反應堆均采用固定功率運行模式，因此本發明也采用固定功率運行模式 進行說明。從物理上分析，外源幾何變化時將可能出現MA嬗變性能相同的情況，此 時無法通過加速器驅動次臨界反應堆設計分析中一般涉及到的單堆廢料嬗變支持比 TSR(Transmutation Support Ratio)分析外源的嬗變效果。（注：TSR指系統卸料時在一 個換料周期內每年嬗變的長壽命次錒系元素 Μ廢料的質量與參考壓水堆年產次錒系Μ廢 料質量的比值，參考壓水堆廢料質量指lGWe壓水堆燃耗水平為33GWd/tU的卸料廢料冷卻 十年的質量。）考慮到由于外源的不同，外源物理參數如質子束流流強也相應不同，將全堆 的MA嬗變性能歸一到單一外源粒子（如質子）可體現當MA嬗變性能相同情況下散裂靶幾 何的嬗變效果。因此，本發明提出了質子嬗變支持比PTSR(Proton Transmutation Support Ratio)這一概念，即每年單位流強質子的MA嬗變質量與參考壓水堆年產MA質量（參考壓 水堆廢料質量指lGWe壓水堆燃耗水平為33GWd/tU的卸料廢料冷卻十年的質量）的比值， 以之作為評價指標比較分析當出現Μ嬗變性能相同時散裂靶幾何的優化情況。
[0016] 首先進行散裂靶內半徑對堆芯性能影響優化分析。此時堆芯區域的幾何、材料成 分比例不變，散裂靶區域的外半徑及散裂靶高度不變。相應中子學模型如表1所示：
[0017] 表1散裂靶內半徑分析優化方案的材料成分與幾何尺寸
[0018]
【權利要求】
1. 一種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動次臨界反應堆的散裂靶，其特征 在于：按徑向從其中心向外依次為質子束流（1)、液態重金屬散裂靶（2)、裂變燃料區（3)、 軸向反射區（4)、軸向屏蔽區（5)、徑向反射區（6)和徑向屏蔽區（7)。裂變燃料區（3)使 用MA/Pu = 7/3的TRU彌散金屬燃料作為核燃料，由散裂靶（2)提供的散裂中子在裂變燃 料區（3)使燃料發生裂變反應并產生能量；軸向反射區（4)和徑向反射區（6)采用液態鉛 鉍和不銹鋼作為反射材料；軸向屏蔽區（5)和徑向屏蔽區（7)使用碳化硼作為屏蔽材料。
2. 根據權利要求1所述的一種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動次臨界 反應堆的散裂靶，其特征在于：基于采用TRU彌散金屬燃料的次臨界堆芯，應用反應堆物理 和散裂靶物理原理，以嬗變性能為評價指標進行了散裂靶幾何優化，實現該堆芯低質子束 流流強、高能量增益和高效嬗變MA核廢料的目的。
3. 根據權利要求1和2所述的一種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動次臨 界反應堆的散裂靶，其特征在于：所述散裂靶為無窗液態鉛鉍合金散裂靶，以歸一到單一質 子的全堆的MA嬗變性能作為評價指標表征相同MA嬗變性能情況下外源幾何的嬗變效果， 散裂靶幾何通過散裂靶物理和中子學輸運燃耗計算分析進行優化，達到堆芯在固定功率運 行模式下低質子束流流強和固定質子束流流強運行模式下高嬗變性能的目的。
4. 根據權利要求1、2和3所述的一種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動次 臨界反應堆的散裂靶，其特征在于：所述堆芯為三角形柵格排列，采用六角形組件形式。所 述散裂靶設計為2層組件空間；裂變燃料區（3)設計為7層燃料組件，燃料區中液態鉛鉍作 為冷卻劑，結構材料采用不銹鋼；軸向反射區（4)分布于裂變燃料區（3)的軸向上下端，主 體材料為液態鉛鉍和不銹鋼；軸向屏蔽區（5)分布于軸向反射區（4)的軸向上下端，主體材 料為液態鉛鉍和不銹鋼；徑向反射區（6)由2層反射組件組成，主體材料為液態鉛鉍和不銹 鋼；徑向屏蔽區（7)由1層屏蔽組件組成，中子吸收材料為碳化硼，結構材料為不銹鋼。
5. 根據權利要求1、2、3和4所述的一種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器驅動 次臨界反應堆的散裂靶，其特征在于：采用中高能強流質子加速器產生的能量為1. 5GeV， 流強可調的高能質子束轟擊液態鉛鉍合金靶，所產生的散裂中子作為驅動裂變燃料區（3) 的外中子源。
6. 根據權利要求1、2、3、4和5所述的一種低質子束流流強高效嬗變核廢料的加速器 驅動次臨界反應堆的散裂靶，其特征在于：所述軸向反射區（4)和軸向屏蔽區（5)的軸向分 布，均布置在該區的燃料棒上。
【文檔編號】H05H6/00GK104302088SQ201410477775
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月18日 優先權日:2014年9月18日
【發明者】陳忠 申請人:西南科技大學