一种可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯制造技术

本实用新型专利技术公开了一种可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯，从堆芯中心向外依次为次锕系核素嬗变区、可裂变燃料增殖区、长寿命裂变产物嬗变区、反射层区和屏蔽层区，次锕系核素嬗变区以MOX和MA的混合物作为燃料；可裂变燃料增殖区以MOX作为燃料；长寿命裂变产物嬗变区以UO2和LLFP混合物为燃料，在燃料组件壁和燃料棒包壳内增加石墨慢化层；反射层和屏蔽层由石墨、碳化硼和结构材料组成。堆芯的高能中子在次锕系核素嬗变区嬗变MA,在可裂变燃料增殖区实现核燃料的增殖，进入长寿命裂变产物嬗变区时被燃料组件壁和燃料棒包壳中的石墨层慢化为低能中子，可有效嬗变LLFP，提高中子的利用率，产能的同时实现嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物。

A fast thermal mixing energy spectrum critical core for simultaneous transmutation of actinides and long-life fission products

The utility model discloses a fast thermal mixing energy spectrum critical core capable of simultaneously transmutating minor actinides nuclides and long-life fission products. From the core center outward, the critical core consists of minor actinides nuclide transmutation zone, fissile fuel proliferation zone, long-life fission product transmutation zone, reflecting layer zone and shielding layer zone, and the minor actinides nuclide transmutation zone is MOX. The mixture of MA and UO 2 is used as fuel in the fissile fuel proliferation zone, MOX is used as fuel in the fissile fuel proliferation zone, UO 2 and LLFP are used as fuel in the long-life fission product transmutation zone, graphite slowing layer is added in the fuel assembly wall and fuel rod cladding, and the reflection layer and shielding layer are composed of graphite, boron carbide and structural materials. High-energy neutrons in core transmutate MA in the transmutation zone of actinide nuclides, proliferate nuclear fuel in the proliferation zone of fissile fuel, slow down graphite layer in fuel assembly wall and fuel rod cladding to low-energy neutrons when entering the transmutation zone of long-life fission products, which can effectively transmute LLFP, improve neutron utilization, and realize transmutation at the same time of productivity. Subactinides and long-lived fission products.

【技术实现步骤摘要】
一种可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯
本技术属于核工程
，具体涉及一种用于同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的临界反应堆堆芯。
技术介绍
核电的大力发展给人类提供了大量的清洁能源，同时也带来了许多的社会和环境问题。其中最亟待解决的是核电厂运行产生的大量高放废物，如果处置不当会对人类和地球其他生物造成难以预料的放射性危害。特别是乏燃料中的长寿命高放废物，包括Np、Am和Cm等次锕系核素(简称MA)以及99Tc和129I等长寿命裂变产物(简称LLFP)，不仅制约着核能的发展，而且对人类构成长期危害。国际上目前有三种建议的核废料处理方案，包括“一次通过”、“闭式循环”和“分离—嬗变”。“一次通过”是指乏燃料从反应堆卸出后经冷却再深埋地下，“闭式循环”是指先将乏燃料短暂冷却后进行后处理，回收其中的铀和钚，然后将其余的乏燃料固化深埋地下。这两种方案虽然成本低但具有很大的不确定性，一方面造成了资源的浪费，另一方面这些乏燃料随时都有可能再进入生物圈循环，存在着远期放射性风险问题。“分离—嬗变”是指通过化学方法将乏燃料中的高放核废料包括次锕系核素(简称MA)和长寿命裂变产物(简称LLFP)分离出来，通过发生中子核反应,主要是中子俘获反应(少量锕系重同位素可以发生裂变反应)，将这些长寿命高放射性核素转变为短寿命核素或者稳定核素。研究结果显示，MA具有裂变阈，在1MeV以上才能明显的裂变截面，在快中子能谱下具有较大的裂变俘获比，嬗变MA需要消耗大量的高能中子，因此MA适合采用快中子堆嬗变。而LLFP需要嬗变的核素(主要有99Tc和129I等)不同于MA核素，这些长寿命裂变产物的热中子反应截面比快中子反应截面高一个量级，因此LLFP适合采用热中子堆嬗变。在中国的示范快堆(CDFR)研究中，采用钠冷快中子谱堆芯，有人提出将LLFP嬗变组件布置在MA焚烧快堆的反射层外层区，利用泄漏中子进行LLFP的嬗变。虽然这种布置可以有效的实现中子热化，但单次放置的LLFP嬗变组件有限，只有一层，远远不能满足嬗变需求；且LLFP嬗变会一直消耗中子，反应截面较少，需要较高的中子通量才能实现高效率嬗变，泄漏区中子通量水平能否保证达到较高的嬗变效率还需要进一步验证。在中国专利03152870.8和中国专利CN102623078A中，中国科学院等离子体物理研究所和中国科学院合肥物质科学研究院分别公开了一种基于可裂变材料中子增殖的次临界核废料处理与核燃料生产的方法和系统和一种基于混合能谱的高效核废料嬗变次临界堆芯，均可以实现同时嬗变MA和LLFP的功能。但这些次临界系统都需要由高能质子与靶材料发生散裂反应或者聚变反应来提供外源中子，目前质子打靶技术和聚变技术都不能提供稳定的外源中子，且这两种技术成本较为昂贵，相关技术有待进一步研发。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题：克服现有嬗变技术的不足，提供一种可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯，反应堆的高能中子在次锕系核素嬗变区嬗变MA,在可裂变燃料增殖区实现核燃料的增殖，进入长寿命裂变产物嬗变区的中子，被燃料组件壁和燃料棒包壳中的石墨层进一步慢化为低能中子，可有效嬗变LLFP，提高中子的利用率，实现同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物，而且采用液态金属作为冷却剂带出堆芯产生的裂变能，达到产能的目的。本技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯，从其中心向外依次为次锕系核素嬗变区、可裂变燃料增殖区、长寿命裂变产物嬗变区、反射层区和屏蔽层区；次锕系核素嬗变区、可裂变燃料增殖区和长寿命裂变产物嬗变区均布置有控制组件；次锕系核素嬗变区以MOX和MA的混合物作为燃料，堆芯的高能中子在次锕系核素嬗变区嬗变MA；可裂变燃料增殖区以MOX作为燃料，快中子可以引起可裂变核素238U裂变最终变为易裂变核素239Pu，实现核燃料的增殖，部分中子可供嬗变区利用；长寿命裂变产物嬗变区以UO2和LLFP混合物为燃料，进入长寿命裂变产物嬗变区的中子，由于离堆芯中心较远，而且在燃料组件壁和燃料棒包壳中均设置有石墨层，可以进一步将其慢化为低能中子，大部分中子相对于中心中子能量较低，有效嬗变LLFP，提高中子的利用率，实现同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物。其中，堆芯的高能中子在次锕系核素嬗变区嬗变MA,在可裂变燃料增殖区实现核燃料的增殖，进入长寿命裂变产物嬗变区的中子，由于离堆芯中心较远，而且被燃料组件壁和燃料棒包壳中的石墨层进一步慢化为低能中子，大部分中子相对于中心中子能量更低，可有效嬗变LLFP，提高中子的利用率，实现同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物，而且采用液态金属作为冷却剂带出堆芯产生的裂变能，达到产能的目的。其中，所述次锕系核素嬗变区以MOX和MA的混合物作为燃料，其中MA是从冷却后的反应堆乏燃料中提取出来的，包括Np、Am和Cm这些核素，与快中子发生裂变反应嬗变成裂变产物。其中，所述可裂变燃料增殖区以MOX作为燃料，由UO2和PuO2混合而成，俘获中子后可裂变核素238U将被转换成易裂变核素239Pu，实现核燃料增殖。其中，所述长寿命裂变产物嬗变区以UO2和LLFP混合物作为燃料，LLFP是从冷却后的反应堆乏燃料中提取出来的99Tc和129I；燃料组件壁和燃料棒包壳内都设置了慢化层，慢化材料为石墨。其中，所述反射层区由一层反射层组件组成，反射材料内有氧化锆/钇混合物。其中，所述屏蔽层区由两层屏蔽层组件组成，屏蔽材料为碳化硼。其中，所述反应堆采用液态金属作为冷却剂带出堆芯产生的裂变能，达到产能的目的。本技术与现有技术相比的优点在于：(1)、本技术提供的可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯结构，次锕系核素嬗变区、可裂变燃料增殖区、长寿命裂变产物嬗变区均可以有效利用该区域的中子，提高了嬗变率和中子利用率，实现了同时嬗变MA和LLFP的功能。(2)、本技术提供的可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯结构，次锕系核素嬗变区和可裂变燃料增殖区燃料组件和燃料棒结构相似，长寿命裂变产物嬗变区燃料棒和燃料组件也仅仅只是在包壳和组件壁中加入石墨层，整个堆芯结构简单，与传统的反应堆结构相近，保证了反应堆的经济性和技术可行性。(3)、相比于中国专利03152870.8和中国专利CN102623078A中分别公开的基于可裂变材料中子增殖的次临界核废料处理与核燃料生产的方法和系统和基于混合能谱的高效核废料嬗变次临界堆芯，本技术所采用的反应堆堆芯结构简单，不需要外界提供外源中子，依靠堆芯内的裂变反应产生的高通量中子就可以实现同时嬗变MA和LLFP的功能。(4)、相比于中国的示范快堆(CDFR)研究中提出的将LLFP嬗变组件布置在MA焚烧快堆的反射层外层区，利用泄漏中子进行LLFP的嬗变，本技术提供的反应堆堆芯结构单次可以放置更多的LLFP组件，并确保有较大的中子通量用于嬗变LLFP，达到较高的嬗变效率。附图说明图1是本技术的堆芯径向布置图；图2是本技术的堆芯轴向布置图；图3是本技术的长寿命裂变产物嬗变区燃料组件径向布置图；图4是本技术的UO2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯，其特征在于：所述堆芯从其中心向外依次为：次锕系核素嬗变区(1)、可裂变燃料增殖区(2)、长寿命裂变产物嬗变区(3)、反射层区(4)和屏蔽层区(5)；次锕系核素嬗变区(1)、可裂变燃料增殖区(2)和长寿命裂变产物嬗变区(3)均布置有控制组件；次锕系核素嬗变区(1)以MOX和MA的混合物作为燃料，堆芯的高能中子在次锕系核素嬗变区(1)嬗变MA；可裂变燃料增殖区(2)以MOX作为燃料，快中子可以引起可裂变核素238U裂变最终变为易裂变核素239Pu，实现核燃料的增殖，部分中子可供嬗变区利用；长寿命裂变产物嬗变区(3)以UO2和LLFP混合物为燃料，进入长寿命裂变产物嬗变区(3)的中子，由于离堆芯中心较远，而且在燃料组件壁和燃料棒包壳中均设置有石墨层，可以进一步将其慢化为低能中子，大部分中子相对于中心中子能量较低，有效嬗变LLFP，提高中子的利用率，实现同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物。

【技术特征摘要】
1.一种可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯，其特征在于：所述堆芯从其中心向外依次为：次锕系核素嬗变区(1)、可裂变燃料增殖区(2)、长寿命裂变产物嬗变区(3)、反射层区(4)和屏蔽层区(5)；次锕系核素嬗变区(1)、可裂变燃料增殖区(2)和长寿命裂变产物嬗变区(3)均布置有控制组件；次锕系核素嬗变区(1)以MOX和MA的混合物作为燃料，堆芯的高能中子在次锕系核素嬗变区(1)嬗变MA；可裂变燃料增殖区(2)以MOX作为燃料，快中子可以引起可裂变核素238U裂变最终变为易裂变核素239Pu，实现核燃料的增殖，部分中子可供嬗变区利用；长寿命裂变产物嬗变区(3)以UO2和LLFP混合物为燃料，进入长寿命裂变产物嬗变区(3)的中子，由于离堆芯中心较远，而且在燃料组件壁和燃料棒包壳中均设置有石墨层，可以进一步将其慢化为低能中子，大部分中子相对于中心中子能量较低，有效嬗变LLFP，提高中子的利用率，实现同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物。2.根据权利要求1所述的一种可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯，其特征在于：堆芯的高能中子在次锕系核素嬗变区(1)嬗变MA，在可裂变燃料增殖区(2)实现核燃料的增殖，进入长寿命裂变产物嬗变区(3)的中子，由于离堆芯中心较远，而且被燃料组件壁和燃料棒包壳中的石墨层进一步慢化为低能中子，大部分中子相对于中心中子能量更低，可有效嬗变LLFP，提高中子的利用率...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈红丽，方海涛，张喜林，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：安徽,34