转化非裂变超铀元素的方法技术

本发明专利技术涉及一种转化非裂变超铀元素的方法，包括下述步骤：引发临界自持裂变反应，产生第一批快中子；慢化所述第一批快中子，产生第一批热中子；用所述第一批热中子转化第一部分非裂变超铀元素；用质子束打击散裂靶，产生第二批快中子；慢化所述第二批快中子，产生第二批热中子；和用所述第二批热中子转化第二部分非裂变超铀元素。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种。本专利技术一般涉及用于高放射性废料的分解系统和方法，更具体而言，本专利技术涉 及一种将核反应堆的乏燃料转变成适合在废料库长期储存的形式的方法。本专利技术特别但 并不是唯一地用于将乏燃料中存在的钚239和其它超铀元素转化成更稳定的、更低放射 毒性的物质。
技术介绍
废弃的核燃料是高放射毒性的物质并对人类具有，包括核增生，辐射照射和环 境污染等重大威胁。迄今，大约装有25000吨放射性乏燃料的90000个乏燃料组件储存在 美国。而且，每年都在产生附加的乏燃料组件，估计到2015年将会有约70000吨乏燃料 废物。依照美国现有核反应堆产生废料的速度，每20-30年需要新的废料库容量等于在 Yucca山上的将要开放的地质废料库(GeologicalRepository)的额定容量。目前，约95% 的这种放射毒性物质临时存储在发电地点(即，在核电厂)的水池中，而少量存储在干储 存器(屏蔽罐)中。从如例如轻水反应堆的商用核电厂取出的典型的乏燃料组件，包含四种主要的 组分铀(约95%)，包括钚239的裂变超铀元素(0.9%)，包括镅，钚，鋦和镎的特定 同位素的非裂变超铀元素(0.1%)，和裂变产物(余量)。在相对较短的时间后，铀和裂 变产物的一部分一般比天然的铀矿不具有更大的辐射毒性。因此，这些废弃的燃料组分 不需要转化或特殊的处置。在经过在废料库的处理后，其余的裂变产物能够被用作商用 反应堆中的可燃毒物。然而，裂变和非裂变超铀元素需要与环境特殊的隔离，或转化为非裂变短寿命 形式。在分解至少95%的这些超铀元素后，在改进型容器(即，比简单的钢容器更好的 容器)内的处理代表了一种比仅以燃料棒的形式储存废料好得多的方案。在一种转化方 案中，超铀元素在反应堆中转化，继之是浓缩剩余超铀元素的分离步骤，随后，进一步 转化。但遗憾的是，这个循环必须重复10-20次，才能达到所希望的分解水平，95%， 因而十分费时和昂贵。在另一个转化方案中，使用快中子转化非裂变超铀元素。例如，使用利用质子 轰击散裂靶而产生的快中子。尽管这些快能谱系统产生大量的中子，但是很多中子被浪 费掉了，特别是在次临界系统中。另外，这些快中子能够对燃料和结构造成严重的损坏，限制转化装置的使用寿命。鉴于以上情况，本专利技术的一个目的是提供适合于转化裂变和非裂变超铀元素， 以实现相对较高的分解水平，而不需要多次重复处理步骤。本专利技术的另一个目的是提供 一种用热中子有效地转化裂变和非裂变超铀元素系统和方法。本专利技术的再一个目的是提 供一种有效地转化裂变和非裂变超铀元素的系统和方法，它使用在裂变超铀元素的裂变 中释放的中子来转化非裂变的超铀元素。
技术实现思路
根据本专利技术，提供一种，所述方法包括下述步骤 引发临界自持裂变反应，产生第一批快中子；慢化所述第一批快中子，产生第一批热中 子；用所述第一批热中子转化第一部分非裂变超铀元素；用质子束打击散裂靶，产生第 二批快中子；慢化所述第二批快中子，产生第二批热中子；和用所述第二批热中子转化 第二部分非裂变超铀元素。根据本专利技术，一种转化来自例如轻水反应堆的核反应堆的乏燃料(即，放射性 废物)的系统和方法，其包括将废料分离成若干组分的步骤。对于本专利技术，能够使用现 有的UREX工艺将乏燃料分离成包括铀组分，裂变产物组分，驱动燃料组分和转化燃料 组分。在分离后，驱动燃料组分和转化燃料组分被置于具有热中子能谱的反应堆中，以 转化为较不具危险的物质。另一方面，铀组分相对地没有放射性，可以不经转化处理。 另外，裂变产物可以在商用热中子反应堆中转化成短寿命、无毒的形式。包括例如钚239的裂变物质的驱动燃料，用于在第一反应堆中引发临界自持热 中子裂变反应。包括例如镅，钚，鋦，镎的特定同位素的非裂变物质的转化燃料被驱动 燃料裂变时释放的中子转化。转化燃料也提供稳定的反应性反馈，并起到确保反应堆被 动安全(passively safe)的重要作用。系统设计成促进驱动燃料的裂变并降低驱动燃料的 过量中子俘获。更具体而言，该系统设计成，使得将驱动燃料受到具有较高中子俘获的 截面和较低裂变截面的能带内的热中子照射的程度最小。在一个实施例中，驱动燃料形 成为具有相对较大直径(例如，约300微米)的球形颗粒，以通过所谓的自屏蔽效应将中 子俘获减到最小。将转化燃料形成为其直径约为150微米的相对较小的、大致呈球形的颗粒(或稀 释的250微米的颗粒)，以使得少量的转化燃料对超热中子(即，热中子能谱高能端处的 热中子)的照射达到最大。这些中子与在所谓的谐振超热区域内的转化燃料原子相互作 用，在俘获裂变过程中将它们分解。另外，将这些颗粒放置在用于慢化裂变反应所产生 中子的石墨块中。在第一反应堆中采用相对较高的石墨质量与驱动燃料质量的比例，以 将中子慢化到在驱动燃料中促进俘获裂变的期望能量水平。驱动燃料和转化燃料留在第一反应堆中约三年，每年清除反应过的驱动燃料和 转化燃料的三分之一并用新燃料将其替换。在从第一反应堆清除时，反应过的驱动燃料 包括大约三分之一的超铀元素和三分之二的裂变产物。然后，使用烘烤工艺加热和蒸发 挥发性元素将反应过的驱动燃料中的超铀元素与裂变产物相分离。所产生的裂变产物能 够被送到废料库，而留下的超铀元素能够与从UREX分离来的转化燃料混合，并被重新 引入到第一反应堆，以便进一步转化。然后，将在三年的滞留后从第一反应堆取出的转化燃料转移到一个第二反应 堆，以进一步转化。第二反应堆包括能够密封的圆筒形的壳体，它具有一个能够使质子 束穿过而进入壳体的窗口。散裂靶沿质子束的路径设置在壳体内。从而在质子束进入壳 体打击散裂靶时释放快中子。含有转化燃料的石墨块位于壳体内距散裂靶一定距离处。在第二反应堆中采用 相对较低的石墨质量与转化燃料质量的比例，以使得超热中子能够到达转化燃料。但 是，使用了足够的石墨以实现转化所期望的慢化，伴随的效果是限制了快中子对反应堆 结构和设备的损坏。在第二反应堆中的大约四年的滞留时间后，从第二反应堆取出反应 过的转化燃料，并将其直接送到废料库。采用用于在废料库中长期存放反应过的转化燃 料的防渗陶瓷材料包覆反应过的转化燃料的球形颗粒。附图说明下面结合附图的说明，会更好地理解本专利技术结构和操作方面的新特征以及本发 明本身，其中附图中的相似标记表示相似的部件图1是处理轻水反应堆乏燃料的功能框图；图2是通过包覆驱动颗粒中心的剖视图；图3是通过包覆转化颗粒中心的剖视图；图4是制造燃料元件的工艺图；图5是沿图4中线5-5观察的燃料元件的剖视图；图6是进行临界自持裂变反应的模块式氦冷堆(MHR)；图7是沿图6中线7-7观察的剖视图；图8是曲线图，示出作为中子能量的函数的，来自超铀废料的100个原子的95% 分解的净中子产额；图9是进行次临界加速器驱动的转化反应的模块式氦冷堆(MHR)；和图10是沿图9中线10-10观察的剖视图。具体实施例方式见图1，该图示出处理乏燃料12，如来自轻水反应堆的乏燃料组件的方法11， 以通过与热中子转化反应而实现在乏燃料中高水平地后分解超铀元素。如图所示，能够 用现有的UREX工艺14将乏燃料分离成若干组分，其包括铀组分16，裂变产物组分18， 驱动燃料组分20和转化燃料组分22。更详细的说，铀组分16构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种转化非裂变超铀元素的方法，所述方法包括下述步骤：　　引发临界自持裂变反应，产生第一批快中子；慢化所述第一批快中子，产生第一批热中子；用所述第一批热中子转化第一部分非裂变超铀元素；用质子束打击散裂靶，产生第二批快中子；慢化所述第二批快中子，产生第二批热中子；和　　用所述第二批热中子转化第二部分非裂变超铀元素。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗朗切斯科文内里，艾伦M巴克斯特，卡梅洛罗德里格斯，唐纳多麦凯克伦，迈克菲卡尼，
申请(专利权)人：通用原子公司，
类型：发明
国别省市：US