MOX燃料棒、MOX燃料组件及展平轴向功率的方法技术

本发明专利技术涉及一种MOX燃料棒、MOX燃料组件及展平轴向功率的方法。所述MOX燃料棒包括掺杂燃料，所述掺杂燃料分布于MOX燃料棒的轴向中部，且所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。本发明专利技术将MOX燃料棒部分轴向中部的燃料设置为掺杂燃料，一方面，掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中被嬗变为短寿命或稳定的核素，从而减小乏燃料最终处理的成本与难度，解决乏燃料中的长寿命次锕系核素的处理问题；另一方面，利用掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中吸收中子被嬗变，可减弱掺杂燃料的裂变反应率，以降低MOX燃料棒中原本轴向功率与燃耗较高位置的功率与燃耗，从而达到展平MOX燃料棒的轴向功率、增强堆芯安全性和提高燃料利用率的效果。

【技术实现步骤摘要】
MOX燃料棒、MOX燃料组件及展平轴向功率的方法
本专利技术涉及核工程
，尤其涉及一种具有嬗变次锕系核素和展平轴向功率功能的MOX燃料棒和MOX燃料组件。
技术介绍
随着我国经济的快速增长，对能源的需求大大增加，特别是在签署巴黎协议之后，发展绿色能源已成为重中之重。核能具有高效、清洁和稳定的特点，其符合我国的能源需求。近年来，我国压水堆核电站快速增长，但因此产生的乏燃料积累量也快速增加。这些乏燃料寿命长、放射毒性大，长期威胁人类的生存环境。乏燃料处理问题，尤其是乏燃料中半衰期较长的次锕系核素237Np、241Am、243Am、244Cm和245Cm的处理问题，是长期困扰人们并且存在大量争议的难题。面对这种严峻的局面，如何妥善处理、处置乏燃料，以确保子孙后代的环境安全和我国核能的可持续发展，是一个必须解决的重大问题。目前，国际上对乏燃料的处理主要有两种方案。一种是以美国为代表的开式循环方案，另一种是以欧盟为代表的闭式循环方案。开式循环方案即填埋，是将乏燃料经过几年冷却之后，再用玻璃或者混凝土包裹直接深埋在地下。但是乏燃料中含有较高的可裂变同位素，直接填埋无法充分利用这些可裂变资源；另外，由于乏燃料中部分次锕系元素的半衰期非常长，包裹乏燃料的容器是否能够承受足够长的时间也无定论。闭式循环方案，是将乏燃料中的铀和钚回收，再制成钚、铀混合的MOX燃料，然后置于反应堆中进行核反应。这既能减少乏燃料中的长寿命放射性产物，也能充分利用乏燃料中的铀和钚资源。我国未来将要采取的乏燃料处理方案是闭式循环方案。闭式循环方案利用嬗变来处理乏燃料中的长寿命次锕系核素。嬗变是指将长寿命高放核素在中子场中进行中子照射，长寿命高放核素发生裂变、俘获等核反应后被转化成其他短寿命或稳定的核素，从而消除长寿命放射性核素对生态环境的危害。闭式循环方案常用的是MOX燃料，它是由PuO2(氧化钚)与UO2(氧化铀)混合而成，其作用是发生裂变以提供能量。闭式循环中的PuO2(氧化钚)通常由燃烧过的UO2燃料中提取出来。当前，闭式循环方案中可提供中子源的嬗变设施包括热中子堆、快中子堆、和加速器驱动的次临界装置(ADS)及其它中子源等。其中技术最成熟、在运行最多的堆型是热中子堆中的压水堆，因此开展压水堆嬗变技术的研究具有重要意义。结合闭式循环的策略，现在主要考虑的方案为在氧化铀燃料压水堆中均匀添加长寿命次锕系核素。而MOX燃料为乏燃料的后处理产品，掺杂长寿命次锕系核素更为容易。专利技术人在之前的研究中，将MOX燃料组件径向上的部分燃料棒替换为掺杂长寿命次锕系核素的燃料棒，从而降低MOX燃料组件中导向管周围原本较高的功率，达到展平功率的效果。但是，该研究仅针对MOX燃料组件整体的径向上的功率进行展平，并未具体涉及如何对单根燃料棒的轴向功率进行展平。然而，由于单根燃料棒的轴向功率不均匀，会导致反应堆功率不均匀，从而降低燃料棒两端燃料的燃耗，影响反应堆运行的效率。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供一种MOX燃料棒，其具有嬗变次锕系核素和展平轴向功率的优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种MOX燃料棒，包括掺杂燃料，所述掺杂燃料分布于MOX燃料棒的轴向中部，且所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。相对于现有技术，本专利技术的MOX燃料棒将部分轴向上的燃料设置为掺杂燃料，一方面，掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中被嬗变为短寿命或稳定的核素，从而减小乏燃料最终处理的成本与难度，解决乏燃料中的长寿命次锕系核素的处理问题；另一方面，利用掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中吸收中子被嬗变，可减弱掺杂燃料的裂变反应率，以降低MOX燃料棒中原本轴向功率与燃耗较高位置的功率与燃耗，从而达到展平MOX燃料棒的轴向功率、增强堆芯安全性和提高燃料利用率的效果。进一步地，所述掺杂燃料以MOX燃料棒的中心为中心轴向对称分布。掺杂燃料轴向对称分布，更有利于整体上展平MOX燃料棒的功率。进一步地，所述掺杂燃料在MOX燃料棒的轴向连续分布或间隔分布。优选地，将所述MOX燃料棒自上而下平均分为9段，所述掺杂燃料分布于第5段，或间隔分布于第4和第6段，或间隔分布于第3、5和7段。进一步地，所述掺杂燃料在MOX燃料棒中的轴向所占比例为10％～35％。MOX燃料棒轴向包含适当比例的掺杂燃料，既有利于MOX燃料棒的轴向功率展平，又有利于长寿命次锕系核素的高效嬗变。进一步地，所述掺杂燃料为只掺杂长寿命次锕系核素237Np的燃料；所述长寿命次锕系核素237Np占所述掺杂燃料的质量百分比为0.2％～2％。若掺杂237Np的浓度太低，则不能达到减弱燃料裂变反应率的效果，且处理乏燃料中的长寿命次锕系核素效率低；若掺杂237Np的浓度太高，则掺杂燃料的裂变反应率过低，影响反应堆正常运行；掺杂质量百分比为0.2％～2％的237Np，能适当减弱燃料的裂变反应率，有利于展平MOX燃料棒功率。进一步地，所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素237Np、241Am和243Am的燃料；所述长寿命次锕系核素237Np、241Am和243Am三者之和占所述掺杂燃料的质量百分比为0.2％～2％。掺杂总质量百分比为0.2％～2％的237Np、241Am和243Am，能适当减弱燃料的裂变反应率，有利于展平MOX燃料棒功率。优选地，所述掺杂燃料中，掺杂的长寿命次锕系核素237Np、241Am和243Am三者之间的质量比为m(237Np)：m(241Am)：m(243Am)＝43：48：9。该核素种类和比例，是1000MW电功率反应堆燃耗达到33MWd/kg时卸料冷却10年后乏燃料中长寿命次锕系核素的情形，这有利于统一嬗变反应堆的乏燃料中这三种长寿命次锕系核素。进一步地，所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素237Np、241Am、243Am、244Cm和245Cm的燃料；所述长寿命次锕系核素237Np、241Am、243Am、244Cm和245Cm五者之和占所述掺杂燃料的质量百分比为0.2％～2％。掺杂总质量百分比为0.2％～2％的237Np、241Am、243Am、244Cm和245Cm，能适当减弱燃料的裂变反应率，有利于展平MOX燃料棒功率。优选地，所述掺杂燃料中，掺杂的长寿命次锕系核素237Np、241Am、243Am、244Cm和245Cm五者之间的质量比为m(237Np)：m(241Am)：m(243Am)：m(244Cm)：m(245Cm)＝42：47：9：2：0.1。该核素种类和比例，是1000MW电功率反应堆燃耗达到33MWd/kg时卸料冷却10年后乏燃料中长寿命次锕系核素的情形，这有利于统一嬗变反应堆的乏燃料中这五种次锕系核素。本专利技术还提供了一种展平MOX燃料棒轴向功率的方法，将MOX燃料棒中轴向高功率位置的燃料设置为掺杂燃料；所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。相对于现有技术，本专利技术所述的展平MOX燃料棒轴向功率的方法，利用掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中被嬗变，来减弱掺杂燃料的裂变反应率，以降低MOX燃料棒中原本轴向功率较高位置的功率，从而达到展平MOX燃料棒的轴向功率、增强堆芯安全性和提高燃料利用率的效果。进一步地，所述掺杂燃料的位置以MOX燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种MOX燃料棒，其特征在于：包括掺杂燃料，所述掺杂燃料分布于MOX燃料棒的轴向中部，且所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。

【技术特征摘要】
1.一种MOX燃料棒，其特征在于：包括掺杂燃料，所述掺杂燃料分布于MOX燃料棒的轴向中部，且所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。2.根据权利要求1所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料以MOX燃料棒的中心为中心轴向对称分布。3.根据权利要求2所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料在MOX燃料棒的轴向连续分布或间隔分布。4.根据权利要求2所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料在MOX燃料棒中的轴向所占比例为10％～35％。5.根据权利要求4所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料为只掺杂长寿命次锕系核素237Np的燃料；所述长寿命次锕系核素237Np占所述掺杂燃料的质量百分比为0.2％～2％。6.根据权利要求4所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素237Np、241Am和243Am的燃料；所述长寿命次锕系核素237Np、2...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁岑溪，陈胜利，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44