專利名稱:一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層的制作方法
一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明屬于長壽命裂變產(chǎn)物嬗變技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層。
背景技術(shù)：
[0002]聚變驅(qū)動次臨界混合堆由聚變堆芯和裂變包層組成，靠聚變堆芯的氘氚反應產(chǎn)生中子源驅(qū)動裂變包層維持穩(wěn)定鏈式裂變反應。由于裂變包層中裂變材料對聚變中子和能量的倍增作用，堆芯所需要的聚變技術(shù)要求遠遠小于純聚變堆，所以被普遍認為是實現(xiàn)聚變能早期應用的有效途徑。為了驗證全尺寸可控核聚變技術(shù)的可行性，國際熱核聚變試驗反應堆(ITER)正在建設(shè)當中，并預計在2035年左右完成試驗。如果混合堆聚變堆芯的設(shè)計參數(shù)和技術(shù)要求在ITER的范圍內(nèi)，就可以在完成ITER試驗后和示范電站DEMO同步規(guī)劃實施，以實現(xiàn)聚變能的早日應用。以ITER類型托卡馬克作為聚變中子源的混合堆包層設(shè)計受到廣泛的關(guān)注。[0003]混合堆的裂變包層處于次臨界狀態(tài)，配合使用不同裂變?nèi)剂虾屠鋮s劑可以實現(xiàn)不同的功能，不同的國家根據(jù)本國的國情也開展了多種不同目的的設(shè)計工作。在嬗變長壽命裂變產(chǎn)物(簡稱LLFP)方面，日本和中國都做過一些研究。日本是一個核電非常發(fā)達國家，核電的裝機量比較大，面臨著鈾資源短缺和核廢料過多的問題。目前MOX燃料已經(jīng)在日本的核電廠得到成功的使用，使用MOX燃料可以消耗掉過剩的工業(yè)級的钚，提高鈾資源的利用率，降低核廢料的放射性水平和核擴散的危險。日本的混合堆設(shè)計多是使用MOX燃料，采用輕水冷卻，焚燒過剩的工業(yè)級的钚，提高鈾資源的利用率，同時在燃料中添加一定量的LLFP,以實現(xiàn)LLFP的嬗變。但是日本的設(shè)計忽略了一些工程問題，僅是基于均勻的材料進行初步的中子學評估。由于化石燃料的逐步短缺，并受減少溫室氣體排放量的壓力，中國制定了非常積極的核電計劃，在不遠的將來中國也會面臨核廢料過多的問題。中國科學院等離子體物理研究所提出的FDS-1混合堆中設(shè)計了 LLFP的嬗變功能，F(xiàn)DS-1的包層設(shè)計采用第四代反應堆中的熔鹽堆技術(shù)，將LLFP的化合物加工成石墨球懸浮于冷卻劑LiPb中。目前包括熔鹽堆在內(nèi)的第四代反應堆技術(shù)仍在研究設(shè)計當中，很少有相關(guān)的運行經(jīng)驗，如果在混合堆中使用會進一步增加混合堆的設(shè)計，建造，運行成本。
發(fā)明內(nèi)容
[0004]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，能夠有效嬗變長壽命裂變產(chǎn)物，且有效降低包層的設(shè)計，建造，運行成本。[0005]本發(fā)明的設(shè)計思想為:為了有效地嬗變LLFP，裂變包層要有高的中子通量，較高的中子通量可以使裂變包層產(chǎn)生可觀的功率輸出，本發(fā)明中裂變包層的功率設(shè)置為3000MW。ITER的聚變功率設(shè)計值是500MW，要實現(xiàn)裂變包層3000MW的熱功率輸出，裂變包層的能量放大倍數(shù)要大于6才能使對聚變堆芯的要求在ITER的設(shè)計范圍之內(nèi)。能量放大倍數(shù)的定義為裂變包層的功率除以聚變堆芯的功率。[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:[0007]—種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，從內(nèi)到外依次包括第一壁3、嬗變區(qū)4、結(jié)構(gòu)壁5、氚增殖區(qū)6和屏蔽層7，所述嬗變區(qū)4采用高壓輕水冷卻，且嬗變區(qū)4采用壓力管式燃料組件8。[0008]所述嬗變區(qū)4布置一排壓力管式燃料組件8。[0009]所述壓力管式燃料組件8包括外層的壓力管壁11、布置在壓力管內(nèi)中心位置的嬗變靶件9以及間隙排布在嬗變靶件9周圍的燃料棒10。[0010]所述燃料棒10采用鈾钚錯金屬合金U-Pu-Zr。[0011]所述鈾钚錯金屬合金U-Pu-Zr中的钚含量為15%。[0012]所述第一壁3的厚度為20mm。[0013]所述氚增殖區(qū)6的氚增殖劑為Li4SiO4, Li4SiO4的體積填充率為60%。[0014]所述Li4SiO4中6Li的富集度設(shè)置為90%。[0015]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:[0016]1、本發(fā)明嬗變區(qū)采用高壓輕水冷卻，能夠有效利用目前核電廠豐富的設(shè)計運行經(jīng)驗，且輕水具有較高的慢化能力，在熱中子能譜下裂變包層的易裂變核素具有較高的裂變截面，包層的能量放大倍數(shù)得到一定的提高，但使用高壓的輕水作為冷卻劑會帶來另一個問題，如果第一壁直接接觸高壓的冷卻劑，那么第一壁要具有足夠的厚度才能承受冷卻劑的壓力，才能保證第一壁在壽期內(nèi)的安全。但是比較厚的第一壁將嚴重影響穿過第一壁到達裂變包層的聚變中子的中子學性能，例如導致能量放大倍數(shù)、氚增殖比等降低。為了使高壓的冷卻劑和第一壁分隔開，保證第一壁的安全，提高整個混合堆的壽命，本發(fā)明嬗變區(qū)采用壓力管式燃料組件，由壓力管式燃料組件承受冷卻劑的壓力，這樣本發(fā)明第一壁的厚度就可以很薄，20_即可滿足要求；[0017]2、在裂變包層的輸出功率固定的條件下，使用的裂變材料體積越少，裂變包層中的中子通量就越高，因此，本發(fā)明裂變包層的徑向僅布置了 I排的壓力管組件；[0018]3、燃料棒10采用鈾钚鋯金屬合金U-Pu-Zr，易裂變核素Pu可以進一步提高裂變包層的能量放大倍數(shù)。[0019]4、在嬗變區(qū)的外圍布置了氚增殖區(qū)，實現(xiàn)聚變?nèi)剂想暗淖猿?。氚增殖區(qū)的氚增殖劑為Li4SiO4, Li4SiO4的體積填充率為60%, ；Li4Si04中6Li的富集度設(shè)置為90%，有利于提高氚增殖比(TBR)。


[0020]圖1是聚變驅(qū)動次臨界混合堆的截面示意圖。[0021]圖2是次臨界包層的截面圖。[0022]圖3是壓力管式燃料組件的結(jié)構(gòu)圖。[0023]圖4是能量放大倍數(shù)結(jié)果圖。
具體實施方式
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明結(jié)構(gòu)進行詳細說明。[0025]如圖1所示，為聚變驅(qū)動次臨界混合堆的截面示意圖，圖中聚變中子源I的外圍包覆次臨界包層2。[0026]如圖2所示，本發(fā)明一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，從內(nèi)到外依次包括第一壁3、嬗變區(qū)4、結(jié)構(gòu)壁5、氚增殖區(qū)6和屏蔽層7，所述嬗變區(qū)4采用高壓輕水冷卻，且嬗變區(qū)4采用壓力管式燃料組件8。由壓力管式燃料組件8承受高壓輕水的壓力，第一壁3的厚度可以減小為20mm。[0027]優(yōu)選的，嬗變區(qū)4布置一排壓力管式燃料組件8，由于在裂變包層的輸出功率固定的條件下，使用的裂變材料體積越少，裂變包層中的中子通量就越高。[0028]本發(fā)明的工作原理為:聚變堆芯的聚變中子穿過第一壁到達嬗變區(qū)，經(jīng)過慢化劑(若采用輕水冷卻，輕水即為慢化劑)的慢化變?yōu)闊嶂凶?，熱中子引起嬗變區(qū)易裂變核素的裂變，平均每次裂變釋放出2-3個裂變中子，產(chǎn)生200MeV左右的能量，這樣易裂變核素就起到了對聚變中子和聚變能量的放大作用。長壽命裂變產(chǎn)物的嬗變主要是通過中子俘獲反應即(n，y)反應轉(zhuǎn)化為其他短壽命的核素，而且這種反應的截面對于熱中子比較大，也就是說具有熱中子能譜的包層更有利于LLFP的嬗變。由嬗變區(qū)泄露到氚增殖區(qū)的中子被氚增殖劑中的Li元素吸收，發(fā)生(n，T)反應，生產(chǎn)聚變?nèi)剂想?T)。[0029]本發(fā)明裂變包層使用輕水進行冷卻，冷卻劑的壓力為15.5MPa，冷卻劑的溫度范圍在目前壓水堆電站運行的范圍之內(nèi)290°C -310°C。為了避免第一壁接觸高壓的冷卻劑，本發(fā)明使用了壓力管式的燃料組件8，由壓力管組件壁承受冷卻劑15.5MPa的壓力。本發(fā)明使用的壓力管的內(nèi)徑是73.32_，所需的壓力管壁厚度通過方程(I)進行計算:[0030]/ > Pl)(I)
2[σ] 裂變包層釋放總的總能量+ 1.41M =--(Δ)


14.1[0038]表示包層裂變能量沉積和聚變中子能量沉積之和與聚變中子能量之比。[0039]如圖4給出了五年內(nèi)本發(fā)明能量放大倍數(shù)M的變化情況，可以看出裝載"Tc和129I時能量放大倍數(shù)都始終大于6，這樣就能保證五年內(nèi)需要的聚變堆芯的功率始終小于500MW，不會超過ITER的設(shè)計范圍。[0040]當在組件中布置"Tc靶件時，每個模塊初期裝載的"Tc的質(zhì)量為99.3kg，五年后"Tc的質(zhì)量為92.6kg,"Tc的嬗變率為6.75% ;當在組件中布置129I時，初期每個模塊129I的總質(zhì)量為24.7kg，五年后129I的質(zhì)量為19.2kg，129I的嬗變率為22.27%。[0041]氚增殖比(TBR)表示一個聚變中子進入包層后所能產(chǎn)生的氚的數(shù)量。在聚變堆芯，一次氘氚聚變反應消耗一個氘核和一個氚核，產(chǎn)生一個中子，理論上TBR只要等于1.0就可以實現(xiàn)氚的自持，但是考慮到氚在產(chǎn)生以及提取過程中的損失，一般工程設(shè)計要求TBR要大于1.10。嬗變"Tc時，初期TBR值為1.47，然后一直降低到末期的1.32 ;嬗變129I時，初期的TBR值為1.41，末期TBR為1.25。兩種實施例TBR都能滿足大于1.10的要求，可以實現(xiàn)氚的自持。
權(quán)利要求
1.一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，從內(nèi)到外依次包括第一壁(3)、嬗變區(qū)(4)、結(jié)構(gòu)壁(5)、氚增殖區(qū)(6)和屏蔽層(7)，其特征在于:所述嬗變區(qū)(4)采用高壓輕水冷卻，且嬗變區(qū)(4 )采用壓力管式燃料組件(8 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，其特征在于:所述嬗變區(qū)(4)布置一排壓力管式燃料組件(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，其特征在于:所述壓力管式燃料組件(8)包括外層的壓力管壁(11)、布置在壓力管內(nèi)中心位置的嬗變靶件(9 )以及間隙排布在嬗變靶件(9 )周圍的燃料棒(10 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，其特征在于:所述燃料棒(10)采用鈾钚鋯金屬合金(U-Pu-Zr)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4所述的一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，其特征在于:所述鈾钚鋯金屬合金U-Pu-Zr中的钚含量為15%。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，其特征在于:所述第一壁(3)的厚度為20mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，其特征在于:所述氚增殖區(qū)(6)的氚增殖劑為Li4SiO4, Li4SiO4的體積填充率為60%。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，其特征在于:所述Li4SiO4中6Li的富集度設(shè)置為90%。
專利摘要
一種壓力管式長壽命裂變產(chǎn)物嬗變的次臨界包層，從內(nèi)到外依次包括第一壁、嬗變區(qū)、結(jié)構(gòu)壁、氚增殖區(qū)和屏蔽層，所述嬗變區(qū)采用高壓輕水冷卻，且嬗變區(qū)采用壓力管式燃料組件；嬗變區(qū)采用高壓輕水冷卻，有效利用目前核電廠豐富的設(shè)計運行經(jīng)驗，且輕水具有較高的慢化能力，在熱中子能譜下裂變包層的易裂變核素具有較高的裂變截面，包層的能量放大倍數(shù)得到一定的提高，同時嬗變區(qū)采用壓力管式燃料組件，由壓力管式燃料組件承受冷卻劑的壓力；本發(fā)明能夠有效嬗變長壽命裂變產(chǎn)物，且有效降低包層的設(shè)計，建造，運行成本。
文檔編號G21C5/02GKCN103137221SQ201310014763
公開日2013年6月5日 申請日期2013年1月15日
發(fā)明者吳宏春, 祖鐵軍, 鄭友琦 申請人:西安交通大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan