專利名稱:加速器驅動的快-熱耦合次臨界反應堆的制作方法
技術領域：
本發明公開了一種用中子照射嬗變放射性廢物的裝置，具體涉及一種加速器驅動
的次臨界反應堆。
技術背景
在反應堆的乏燃料中，存在著大量放射性物質，毒性大，而且半衰期很長，很多可 長達104 107年，潛在的危害性極大。
國際上有兩種方案處理這些乏燃料，一種是以美國為首的所謂一次通過方式，即 乏燃料經過較長時間的存放冷卻，作為高放廢物直接進行深地質埋藏；另一種是以法國等 國為首的將乏燃料經過短時間的存放后，進行后處理，回收鈾和鈈，將回收后丟掉的鈾和 鈈、全部其它錒系核素(簡稱MA)以及全部裂變產物(包括長壽命裂變產物，簡稱LLFP)作 為高放廢物經固化進行深地質埋藏。盡管后一種方案比前一種方案風險小得多，它仍存在 著遠期放射性風險問題，資源也存在一定的浪費。
在《現代物理知識》1994年第5期，郁忠強在"能量放大器"一文中公開了西歐核 子中心主任、諾貝爾獎獲得者魯比亞(C.Rubbia)領導的小組所提出的一個提供干凈核能 的新概念利用高能強流質子加速器(能量1 1. 6GeV，平均流強 7mA)產生的高能質子 束，在物質中形成核級聯過程而產生大量的中子，天然釷(232Th)俘獲中子而轉變為裂變元 素233仏23力又裂變產生中子維持鏈式反應。他們將這個裝置稱為能量放大器。裝置啟動后， 裂變元素在天然釷中的比例很快可以達到相對穩定，形成一個長期穩定的能量產出。裝置 運行于次臨界狀態和相對高的中子通量( 1016cm—2 *s—0以確保增值過程的穩定持續和設 備無臨界危險。其廢料中長壽命的錒系元素很少，大大簡化了核廢料的處置難題，而且不產 生武器級的核燃料，避免了核擴散的擔憂。這種用加速器加速的高能質子與重靶核發生散 裂反應產生的中子作為外中子源來驅動次臨界反應堆的系統，國際上稱為ADS。但該文獻所 提供的ADS系統僅是一種新概念，在技術和工藝上有較大難度，因為按目前的加速器技術， 要建一臺能量為1 1. 6GeV，平均流強達150mA的質子加速器不是一件容易的事。中子通 量為1016cm—2 *s—1數量級的反應堆工藝技術上也是一個新課題。另外，ADS如果用熱中子次 臨界反應堆可產生核能，設計好可燒掉全部的LLFP，但不能燒掉MA ;ADS如果用快中子次臨 界反應堆可產生核能，設計好可燒掉全部的MA，但不能完全燒掉LLFP，因為MA的嬗變是靠 快中子而LLFP的嬗變是靠超熱中子。總之，兩種堆型(快中子反應堆和熱中子反應堆)各 有優缺點。
另外，在中國專利03152870. 8中，中國科學院等離子體物理研究所公開了基于可 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，該方法是通過聚變反應或者 高能質子與靶材料發生的散裂反應產生外源中子，這些外源中子進入長壽命放射性錒系元 素處理區，與錒系元素處理區中錒系元素發生裂變反應，同時與其中的可裂變钚239或鈾 233發生裂變反應生產大量的新中子；這些中子部分進入可裂變燃料增殖區中，與其中貧 鈾或者天然鈾或者天然釷發生中子俘獲反應，生成可裂變的钚239或鈾233，以供給錒系元素處理區的再循環使用，或者輸出作其它用途；從可裂變燃料增殖區泄漏的中子進入裂變 產物處理區，與其中混合在中子慢化劑中的放射性裂變產物發生俘獲反應，使長壽命高毒 性的裂變產物轉變成穩定無毒性或者短壽命低毒性的裂變產物，各個區中產生的熱量采用 冷卻劑冷卻，各區之間采用結構材料分隔，整個系統采用屏蔽材料屏蔽。該技術方案相對于
魯比亞等人提出的概念而言更加細化，但依舊還只是一個概念，并存在如下問題l)在外 中子源產生區使用D-T聚變反應堆或者由高能質子散裂反應提供外中子源，不僅成本高， 而且不易控制，難以實現。2)裂變產物處理區利用可裂變燃料增殖區慢化后的低能中子與 裂變產物發生俘獲反應來處理長壽命的裂變產物廢料。實際上，裂變產物處理區可利用的 低能中子已很少，能否達到預期的目的很難確定。另外，裂變產物處理區只能用于處理長壽 命的裂變產物廢料，不能產能，浪費了燃料。 技術方案
本發明就是根據魯比亞(C. Rubbia)、中國科學院等離子體物理研究所等人所提供 的潔凈核能的概念，提供一種既能同時燃燒掉MA、LLFP，又能產能的快_熱耦合次臨界反應 堆。
—種快-熱耦合次臨界反應堆，從中心向外依次為靶區、快中子能譜區、熱中子能 譜區、反射層區、屏蔽層區、不銹鋼外殼。關鍵在于靶區是使用加速器加速的質子與主靶核 發生散裂反應產生的中子作為中子源；快中子能譜區所使用的可裂變材料是天然鈾或低富 集度鈾；熱中子能譜區使用的是低富集度鈾，用以產能。同時，在快中子能譜區與熱中子能 譜區之間自然形成超熱中子區。
本發明所提供的的快-熱耦合次臨界反應堆，其內部為快中子次臨界反應堆，其 外部是熱中子次臨界反應堆，彌補了兩種堆型各自的缺點，用內部的快中子次臨界反應堆 來嬗變MA，用內部的快中子次臨界反應堆和用外部的熱中子次臨界反應堆耦合形成的超熱 中子區來嬗變LLFP。另外內部的快中子次臨界反應堆還可對加速器產生的中子源起到放大 作用，這樣一來，外部的熱中子次臨界反應堆就可得到比純外部的中子源要強的中子源來 驅動，使熱中子次臨界反應堆發出更多的核電或減輕對加速器的要求。快次臨界反應堆作
為外中子源的放大器，可放大倍數為A^^，其中s為外中子源強度，1為中子在反應堆中
的壽命，k為快次臨界反應堆的有效增殖因子，用天然鈾為快區的k約為0. 5，則可放大外源 兩倍，如果功率一定，則可對加速器的速流降低要求1/2，可大大降低對加速器的要求。如果 利用低富集度鈾代替天然鈾，則可提高次臨界有效增殖因子ks，使外中子源的放大倍數更 大。
總之，本發明所提供的快-熱耦合次臨界反應堆彌補了在ADS中的快中子次臨界 反應堆和熱中子次臨界反應堆兩種堆型在嬗變MA和LLFP各自的缺點并兼備發電功能，發 電量的1/3可用于加速器的用電。同時，實現了 ADS使用低富集度鈾的要求。
圖1為裝置橫向剖面圖； 圖2為裝置縱向剖面圖。實施例
下面將結合實施例對本發明的技術方案作進一步解釋。
如圖1所示，一種快-熱耦合次臨界反應堆，從中心向外依次為靶區1、快中子能譜 區2、熱中子能譜區4、反射層區5、屏蔽層區6、不銹鋼外殼7。中間設置鉛緩存區8。快中 子能譜區2與熱中子能譜區4之間耦合形成超熱中子能譜區3。
如圖2所示，各區的結構如下。
耙區1 :在快中子能譜區2的中心取出7根元件形成一個直徑為40 60mm，最佳 設計為50mm的空腔作為靶區，中子源鉛靶管長為500mm。若高能強流質子加速器產生的能 量為1GeV，平均流強 lmA的高能質子束轟擊鉛靶將產生1. 2 1. 9X 109n/s的中子源。 快中子能譜區2 :所有元件裝在一個六面體的鋁塊內，鋁塊直徑為195 220mm，最 佳設計為200mm。柵距為25mm，平均中子能量為700KeV。天然鈾或低富集度鈾燃料元件外 徑為22mm，芯體直徑為20mm，芯體長1000mm，總長1035mm，密度18. 6g/cm3。包殼材料為鋁。 燃料元件插在鋁件中，元件根數為264根。
熱中子能譜區4 :厚度為150mm，燃料元件插在聚乙烯慢化劑內，按照三角形排列。 燃料元件使用富集度為3 5%的U02，元件外徑為8mm，芯體直徑為6. 55mm，芯體長700mm， 元件密度10. 4465g/cm3。燃料元件包殼厚0. 65mm，材料為Zr_2合金。每根元件芯重753g， 間距為12mm。元件根數根據需要而定，使Keff在0. 90 0. 98之間。
反射層區5:材料為聚乙烯，密度為0.937g/cm 徑向厚度〉15 25cm，軸向厚度 > 15 25cm。
屏蔽層區6 :含硼聚乙烯，厚度> 25cm。
不銹鋼外殼7 :厚10cm。
同時，在快中子能譜區2與熱中子能譜區4之間自然形成超熱中子區3，嬗變
本發明所提供的技術方案，在快中子能譜區2除燃料元件外，用鋁模擬快區鈉冷 材料，在熱中子能譜區4除燃料元件外，用聚乙烯模擬慢化劑材料一水，結構簡單、實用。不 僅實現了快-熱耦合，嬗變MA、 LLFP，還可產能，實現了真正意義上的加速器驅動潔凈核能 系統(即ADS)的概念。
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權利要求
一種快一熱耦合次臨界反應堆，從中心向外依次為靶區(1)、快中子能譜區(2)、熱中子能譜區(4)、反射層區(5)、屏蔽層區(6)、不銹鋼外殼(7)，在快中子能譜區(2)與熱中子能譜區(4)形成超熱中子能譜區(3)，靶區(1)使用加速器加速的質子與主靶核發生散裂反應產生的中子作為中子源；快中子能譜區(2)所使用的可裂變材料是天然鈾或低富集度鈾；熱中子能譜區(4)使用的是富集度為3～5％的UO2，其元件根數根據Keff在0.90～0.98之間的需要而定，其特征在于用超熱中子能譜區(3)嬗變LLFP。
專利摘要
本發明公開了一種加速器驅動的次臨界反應堆。其從中心向外依次為靶區、快中子能譜區、熱中子能譜區、反射層區、屏蔽層區、不銹鋼外殼，特別是靶區使用加速器加速的質子與主靶核發生散裂反應產生的中子作為中子源；快中子能譜區所使用的可裂變材料是天然鈾或低富集度鈾；熱中子能譜區使用的是富集度為3～4％的UO2；在快中子能譜區與熱中子能譜區自然形成超熱中子區，嬗變LLFP。該種次臨界反應堆不僅實現了快-熱耦合，嬗變MA、LLFP，還可產能，真正實現了加速器驅動潔凈核能系統的概念。
文檔編號G21G1/06GKCN1945751SQ200610145858
公開日2010年5月12日 申請日期2006年11月21日
發明者丁大釗, 史永謙, 夏普, 夏海鴻, 張巍, 曹健, 朱慶福, 權艷慧, 李義國, 李吉根, 王佐卿, 羅璋琳, 羅皇達, 趙志祥 申請人:中國原子能科學研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2), 非專利引用 (6),