專利名稱:一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，具體涉及一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯。
背景技術(shù)：
核廢物最少化是核能可持續(xù)發(fā)展必須解決的關(guān)鍵問題之一。近幾十年來，核能界一直在探索次錒系核素(MA)和長壽命裂變產(chǎn)物(LLFP)的最終處理辦法，經(jīng)過比較分析，找到核廢物核素最終處理的辦法就是分離與嬗變。
加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)由于其固有安全性以及在嬗變核廢物方面的優(yōu)勢，其工業(yè)前景得到普遍認(rèn)可，成為核廢物處理中熱門的新型反應(yīng)堆之一。當(dāng)前，國際上正在研制的ADS主要包括以下四種方案:
A.美國阿貢國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室嬗變MA的熔鹽堆方案；
B.歐洲的EFIT無束窗，嬗變MA的氧化物陶瓷燃料的方案；
C.日本的OMEGA計(jì)劃中嬗變MA的氮化物燃料的方案；
D.韓國的快熱耦合嬗變MA和LLFP的金屬燃料方案。
方案A中使用熔鹽燃料，其腐蝕性很強(qiáng)，燃料的凈化提純難度大。
方案B中MA的年嬗變率比較低，僅在4%左右，而且對于氧化物燃料，雖然其加工工藝比較成熟，但熱力學(xué)性能一般。
方案C中MA的嬗變率高，但是需要富集90%以上的15N,燃料制造成本高。
而在方案D中，對于嬗變MA的燃料是合金燃料，該種燃料在高溫化學(xué)處理時(shí)的相容性很好，而且能滿足深燃耗的要求以及提供更硬的快中子能譜，更有利于提高M(jìn)A的嬗變率，但是方案D為快熱耦合的系統(tǒng)，在快區(qū)中的MA嬗變率并不高。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，本發(fā)明堆芯中子通量密度大，中子利用率高，堆芯結(jié)構(gòu)簡單，MA嬗變效率高。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想為:利用快中子譜適合MA嬗變的特點(diǎn)，結(jié)合金屬燃料能使堆芯能譜更硬的優(yōu)點(diǎn)，提供了一種采用能滿足加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)對燃料抗輻照和深燃耗要求的彌散體金屬燃料的嬗變堆芯，并通過調(diào)整堆芯活性區(qū)的高度、外中子源與堆芯活性區(qū)的軸向相對位置等方法對堆芯進(jìn)行優(yōu)化，提高外中子源的利用效率，從而降低加速器質(zhì)子束流流強(qiáng)，即降低了加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)對加速器技術(shù)的要求。通過對堆芯燃料區(qū)進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，展平堆芯徑向功率峰。最后得到一個(gè)優(yōu)化了的采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，從堆芯中心向外依次包括外中子源區(qū)1，緩沖區(qū)2、燃料區(qū)、LBE反射層區(qū)5、不銹鋼反射層區(qū)6和屏蔽層區(qū)7，所述燃料區(qū)從內(nèi)到外分為2 4區(qū)，每個(gè)燃料區(qū)中各裝載多個(gè)結(jié)構(gòu)、數(shù)量以及尺寸相同的燃料組件10，所述燃料組件10由多個(gè)三角形排列的燃料棒組成，所述燃料棒的材料為(TRU-1OZr)-Zr彌散體金屬，所述燃料區(qū)中燃料棒材料中的钚Pu含量從內(nèi)到外依次增加。
所述燃料區(qū)從內(nèi)到外分為兩個(gè)區(qū)，分別為燃料內(nèi)區(qū)3和燃料外區(qū)4。
所述燃料區(qū)采用鉛鉍合金LBE作為冷卻劑。
所述燃料組件10為無導(dǎo)向管六棱柱燃料組件。
所述外中子源區(qū)I放置一個(gè)液態(tài)鉛鉍合金LBE散裂靶。
所述緩沖區(qū)2的材料為鉛鉍合金LBE。
所述鉛鉍合金LBE反射層區(qū)5由一層鉛鉍合金LBE反射層組件組成，材料為不銹鋼和鉛鉍合金LBE，不銹鋼和鉛鉍合金LBE的體積百分比分別為80%和20%。
所述不銹鋼反射層區(qū)6由一層不銹鋼反射層組件組成，材料為不銹鋼和鉛鉍合金LBE，不銹鋼和鉛鉍合金LBE的體積百分比分別為40.31%和59.69%。
所述屏蔽層區(qū)7由兩層屏蔽層組件組成，材料為碳化硼、不銹鋼以及鉛鉍合金LBE，碳化硼、不銹鋼和鉛鉍合金LBE的體積百分比分別為49.35%,31.97%和18.68%。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明燃料區(qū)燃料棒的材料采用(TRU-1OZr)-Zr彌散體金屬，彌散體金屬燃料是從合金燃料發(fā)展而來，其除了擁有合金燃料的優(yōu)點(diǎn)外，還能夠克服合金燃料的某些缺點(diǎn)，比如在受輻照后的抗腐蝕性、深燃耗穩(wěn)定性以及燃料的膨脹等方面性能更好。為堆芯提供更硬的中子能譜，有利于MA的嬗變，年嬗變效率高達(dá)15%左右，高于日本的方案年嬗變率10%。
2、對堆芯燃料區(qū)進(jìn)行分區(qū)布置，各區(qū)Pu含量成一定的比例，在滿足安全的條件下，功率峰密度小，最大值不超過450W/cm3。
3、對堆芯和外中子源區(qū)散裂靶進(jìn)行優(yōu)化，包括調(diào)整堆芯活性區(qū)的高度、外中子源與堆芯活性區(qū)的軸向相對位置，使得系統(tǒng)的外中子源利用效率高。
4、本發(fā)明堆芯在整個(gè)運(yùn)行時(shí)期內(nèi)，系統(tǒng)的燃耗反應(yīng)性變化穩(wěn)定，所需質(zhì)子束流流強(qiáng)小且穩(wěn)定。
本發(fā)明外中子源使用由高能的質(zhì)子束轟擊重核素靶件發(fā)生散裂反應(yīng)而產(chǎn)生的散裂中子；散裂中子能譜硬，驅(qū)動燃料區(qū)中燃料發(fā)生裂變，產(chǎn)生更多的中子；中子到達(dá)LBE反射層區(qū)和不銹鋼反射層區(qū)被反射回來，堆芯中子通量密度大，中子利用率高，堆芯結(jié)構(gòu)簡單，MA嬗變效率高，并且采用鉛鉍合金LBE作為冷卻劑將燃料區(qū)產(chǎn)生的能量帶出堆芯，同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)能。


圖1是本發(fā)明堆芯的徑向布置圖。
圖2是本發(fā)明堆芯的軸向布置圖。
圖3是本發(fā)明燃料組件的橫截面圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。[0034]如圖1所示，本發(fā)明一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，以兩區(qū)的燃料區(qū)為例，從堆芯中心向外依次包括外中子源區(qū)1，緩沖區(qū)2、燃料內(nèi)區(qū)3、燃料外區(qū)4、LBE反射層區(qū)5、不銹鋼反射層區(qū)6和屏蔽層區(qū)7，堆芯總高度為290cm，直徑為359.4cm,其中活性區(qū)高度為110cm，直徑為226.8cm。
如圖2所示，燃料內(nèi)區(qū)3和燃料外區(qū)4的軸向下端為50cm高的不銹鋼反射層6，軸向向上依次為I IOcm高度的氣室8、20cm高度的不銹鋼反射層6。外中子源區(qū)I提供外中子源驅(qū)動燃料內(nèi)區(qū)3和燃料外區(qū)4中的燃料發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生的能量由燃料區(qū)的LBE冷卻劑帶出堆芯。外中子源區(qū)I放置一個(gè)直徑為38.8cm,高為130cm的液態(tài)鉛鉍合金LBE散裂靶，散裂靶上部與直徑為10cm，高為160cm的質(zhì)子束導(dǎo)管9相連，外中子源區(qū)I與質(zhì)子束導(dǎo)管9的連接處可選用有束窗或無束窗，有束窗時(shí)，束窗形狀為半橢圓體，高能強(qiáng)流直線質(zhì)子加速器產(chǎn)生的能量為1.5GeV，半徑為10cm，沿半徑呈拋物線分布的質(zhì)子束通過質(zhì)子束導(dǎo)管9轟擊外中子源區(qū)I中的液態(tài)LBE散裂靶，產(chǎn)生高能散裂中子，作為驅(qū)動燃料裂變的外源中子。
緩沖區(qū)2的作用是將外中子源區(qū)I與堆芯其它部分中的液態(tài)鉛鉍合金隔離。
反射層區(qū)5和不銹鋼反射層區(qū)6分別由一層LBE反射層組件和I層不銹鋼反射層組件組成，兩種反射層主要是由液態(tài)LBE和結(jié)構(gòu)材料組成，將燃料區(qū)中的中子反射回去。
屏蔽層區(qū)7由兩層屏蔽層組件組成，材料為碳化硼和LBE，主要是吸收從反射層泄漏出來的中子，減少堆芯的中子泄漏。
燃料內(nèi)區(qū)3和燃料內(nèi)區(qū)4各裝載72個(gè)無導(dǎo)向管六棱柱燃料組件10。
如圖3所示，每個(gè)無導(dǎo)向管六棱柱燃料組件10由271個(gè)燃料棒組成，三角形排列。無導(dǎo)向管六棱柱燃料組件10高度為290cm，組件間距為175.8mm，燃料棒芯塊11的直徑為6mm，燃料棒的外徑7.12mm，棒間距10.68mm，燃料棒包殼12的厚度0.56mm，包殼12的材料為HT9不銹鋼，燃料棒周圍為鉛鉍合金冷卻劑13。
本發(fā)明的工作原理為:由直線質(zhì)子加速器產(chǎn)生的1.5GeV的質(zhì)子束通過質(zhì)子束導(dǎo)管9轟擊外中子源區(qū)I中的鉛鉍合金LBE散裂靶，從而在外中子源區(qū)I中發(fā)生散裂反應(yīng)并產(chǎn)生高能散裂中子；高能散裂中子通過緩沖區(qū)2到達(dá)燃料內(nèi)區(qū)3和燃料外區(qū)4，驅(qū)動燃料內(nèi)區(qū)3和燃料外區(qū)4中燃料發(fā)生裂變，裂變產(chǎn)生的氣體進(jìn)入氣室8，降低燃料棒內(nèi)壓。燃料的裂變即實(shí)現(xiàn)了核廢物的嬗變，并利用燃料裂變釋放的能量進(jìn)行產(chǎn)能。
本發(fā)明提供的一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，其堆芯的熱功率為1000MW，從次臨界系統(tǒng)的安全方面考慮，初始無源有效增殖系數(shù)keff為0.97左右，為了提高外源的利用效率，外中子源區(qū)I的散裂靶高度為130cm，堆芯活性區(qū)高度為110cm。為了使得初始無源有效增殖系數(shù)keff為0.97，調(diào)節(jié)燃料內(nèi)區(qū)3和燃料外區(qū)4中的燃料組成，設(shè)計(jì)不同的燃料裝載案例，得到一個(gè)最優(yōu)的燃料裝載方案，在滿足一定的嬗變能力(高于國際上其它的堆芯方案)條件下，使得燃耗反應(yīng)性的變化盡量小，質(zhì)子束流流強(qiáng)小且穩(wěn)定，降低了直線質(zhì)子加速器的要求，有利于實(shí)現(xiàn)ADS工業(yè)化。
權(quán)利要求
1.一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，從堆芯中心向外依次包括外中子源區(qū)(1)，緩沖區(qū)(2)、燃料區(qū)、LBE反射層區(qū)(5)、不銹鋼反射層區(qū)(6)和屏蔽層區(qū)(7)，其特征在于:所述燃料區(qū)從內(nèi)到外分為2 4區(qū)，每個(gè)燃料區(qū)中各裝載多個(gè)結(jié)構(gòu)、數(shù)量以及尺寸相同的燃料組件(10)，所述燃料組件(10)由多個(gè)三角形排列的燃料棒組成，所述燃料棒的材料為(TRU-1OZr)-Zr彌散體金屬，所述燃料區(qū)中燃料棒材料中的钚Pu含量從內(nèi)到外依次增加。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，其特征在于:所述燃料區(qū)從內(nèi)到外分為兩個(gè)區(qū)，分別為燃料內(nèi)區(qū)(3)和燃料外區(qū)(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，其特征在于:所述燃料區(qū)采用鉛鉍合金LBE作為冷卻劑。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，其特征在于:所述燃料組件(10)為無導(dǎo)向管六棱柱燃料組件。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，其特征在于:所述外中子源區(qū)(I)放置一個(gè)液態(tài)鉛鉍合金LBE散裂靶。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，其特征在于:所述緩沖區(qū)(2)的材料為鉛鉍合金LBE。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，其特征在于:所述鉛鉍合金LBE反射層區(qū)(5)由一層鉛鉍合金LBE反射層組件組成，材料為不銹鋼和鉛鉍合金LBE，不銹鋼和鉛鉍合金LBE的體積百分比分別為80%和20%。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，其特征在于:所述不銹鋼反射層區(qū)(6)由一層不銹鋼反射層組件組成，材料為不銹鋼和鉛鉍合金LBE，不銹鋼和鉛鉍合金LBE的體積百分比分別為40.31%和59.69%。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，其特征在于:所述屏蔽層區(qū)(7)由兩層屏蔽層組件組成，材料為碳化硼、不銹鋼以及鉛鉍合金LBE，碳化硼、不銹鋼和鉛鉍合金LBE的體積百分比分別為49.35%,31.97%和18.68%。
專利摘要
一種采用彌散體金屬燃料的加速器驅(qū)動次臨界嬗變堆芯，從堆芯中心向外依次包括外中子源區(qū)，緩沖區(qū)、燃料區(qū)、LBE反射層區(qū)、不銹鋼反射層區(qū)和屏蔽層區(qū)，所述燃料區(qū)從內(nèi)到外分為2～4區(qū)，每個(gè)燃料區(qū)中各裝載多個(gè)結(jié)構(gòu)、數(shù)量以及尺寸相同的燃料組件，所述燃料組件由多個(gè)三角形排列的燃料棒組成，所述燃料棒的材料為(TRU-10Zr)-Zr彌散體金屬，所述燃料區(qū)中燃料棒材料中的钚Pu含量從內(nèi)到外依次增加；本發(fā)明燃料區(qū)燃料棒的材料采用(TRU-10Zr)-Zr彌散體金屬，為堆芯提供更硬的中子能譜，有利于MA的嬗變，年嬗變率高達(dá)15%左右，高于日本的方案年嬗變率10%；對堆芯燃料區(qū)進(jìn)行分區(qū)布置，各區(qū)Pu含量成一定的比例，在滿足安全的條件下，功率峰密度小，最大值不超過450W/cm3。
文檔編號G21C3/02GKCN103093837SQ201310014692
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月15日
發(fā)明者吳宏春, 李勛昭, 鄭友琦 申請人:西安交通大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan