CN103077758A - 径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯及设计方法 - Google Patents

径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯及设计方法，从其中心向外依次为外中子源区（1）、第一嬗变燃料区（2）、第二嬗变燃料区（3）、第三嬗变燃料区（4）、反射区（5）和屏蔽区（6）。该堆芯对嬗变燃料区分三区布置，通过分析耦合中子学、热工水力原理并采用数学方法对三角形布置的堆芯布局进行了原理设计分析，并针对嬗变各分区根据所设计原理由内至外进行特定的几何层数布置，可以径向展平嬗变燃料区的功率分布。该堆芯利用外源产生的快中子嬗变TRU，中子利用率高，径向功率展平好，发电效率高，结构简单，且属于次临界堆芯，具备安全、高效处理核废料且经济的功能。

Description

径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯及设计方法
技术领域
本发明属于放射性核废物处理技术领域，具体涉及一种用于高放核废料嬗变的反应堆堆芯及设计方法。
背景技术
核废料处理问题，尤其是乏燃料中次錒系核素的处理问题一直是世界性的难题。随着我国经济的快速增长，能源需求尤其是核能需求急剧增加，带动了我国压水堆核电站装机容量的快速增长，核废料的积累量由此快速增加。根据我国核电的中长期规划，2020年我国核电运行装机容量将达到4000万千瓦，届时乏燃料累积存量将达到约1万吨，其中钚约100吨，次锕系核素(MA)约10吨，长寿命裂变产物(LLFP)约15吨。这些核废物寿命长、放射毒性大，日益增多，长期威胁人类的生存环境。面对这种严峻的局面，如何妥善处理、处置核高放废物，使核废物最少化，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，国际上主要有三种乏燃料处理方案，一种是以美国为代表的“一次通过”循环策略，一种是以欧盟为代表的“闭式燃料”循环策略，还有一种就是通过太空飞行器直接将乏燃料投放到太空。最后一种方案对环境没有任何影响，但是就目前技术程度来看实现极为困难，且面临太空发射失败导致核废扩散的风险，而前面两种则是国际上对乏燃料的主要管理技术路线。“一次通过”循环方式指乏燃料经较长时间冷却后再通过水泥或玻璃固化等方式包装，直接进行深地质处置。但该处理方案面临由于地质运动或包装物破裂等原因导致的放射性释放风险以及铀、钚资源浪费问题。“闭式燃料”循环方式指采用后处理工艺流程分离并回收乏燃料中的铀和钚，将其返回到反应堆中进行循环使用。国际上目前正在研发一种先进的闭式燃料循环即分离-嬗变（PT）战略，即是采用化学或高温电化学等分离工艺，除对铀和钚回收利用外，并将高放废物中的次锕系元素和长寿命裂变产物分离出来，利用核反应堆、加速器等嬗变装置中将长寿命高放废物转变为短寿命低放核素或稳定核素。
核燃料闭式循环方案中，加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven Sub-critical System，ADS）是目前致力于嬗变放射性核废料、有效利用核资源及产出能量的理想装置，具有良好的资源效益、环境效益、安全效益和社会公众效应。国际原子能机构IAEA把ADS列入新型核能系统中，并称之为“新出现的核废料嬗变及能量产生的核能系统”。从核废料嬗变技术角度看，在热中子通量低于1016水平下（该中子通量水平现有技术极难达到），TRU适合用快中子嬗变，LLFP则适合用热中子嬗变。ADS嬗变系统中由散裂反应产生的散裂中子在与燃料发生裂变反应产生的裂变中子属于快中子，适合于嬗变TRU。在现有的ADS嬗变系统概念设计中，用于嬗变TRU的有美国的ATW计划，欧盟的EFIT计划、日本的OMEGA计划、俄罗斯的CSMSR计划和韩国的HYPER计划。
在国际上所研究的ADS计划中，由于外中子源的存在，次临界堆芯径向中子通量分布不均匀，导致次临界堆芯的径向功率分布不均。为解决该问题，各国不约而同地采用了多层燃料分区方式以展平次临界堆芯径向功率，但均没有对嬗变分区的几何布置方式开展研究，基于此几何布置的堆芯也未见文献报道。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种径向功率展平的高效率核废料嬗变次临界堆芯，通过独特的嬗变燃料分区几何厚度分层结构布置展平嬗变燃料区的径向功率，在嬗变TRU的同时提高发电效率。
本发明采用的技术方案为：一种径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯的设计方法，该反应堆为三角形布置堆芯布局，基于中子物理学和热工水力原理引入数学方差方法，并根据反应堆通用的3批换料方案，将嬗变燃料区径向分为三个燃料区，由内到外分别是低浓度TRU嬗变燃料区，中浓度TRU第二嬗变燃料区和高浓度TRU第三嬗变燃料区，得出方差最小的嬗变燃料区分区模型，根据该分区模型设计第一嬗变燃料区、第二嬗变燃料区、第三嬗变燃料区的径向几何厚度，实现三角形布置反应堆径向展平功率的目标。
另外提供一种径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯，从其中心向外依次为外中子源区、第一嬗变燃料区、第二嬗变燃料区、第三嬗变燃料区、反射区和屏蔽区，外中子源区使用高能质子撞击重金属靶发生散裂反应所产生的散裂中子作为外中子源；第一嬗变燃料区、第二嬗变燃料区、第三嬗变燃料区使用不同浓度的TRU作为燃料；反射区采用液态铅铋和不锈钢作为反射材料；屏蔽区使用碳化硼作为屏蔽材料，嬗变燃料区分三区布置，即分为第一嬗变燃料区、第二嬗变燃料区、第三嬗变燃料区三区；由外中子源区提供的散裂中子在第一嬗变燃料区、第二嬗变燃料区、第三嬗变燃料区使燃料发生裂变反应，利用其中的快中子嬗变TRU，嬗变燃料各分区按照上述的径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯的设计方法对第一嬗变燃料区、第二嬗变燃料区、第三嬗变燃料区进行特定的几何厚度分层布置，展平嬗变燃料区径向功率分布，实现一个堆芯高发电效率和高效TRU核废料的嬗变目的。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明提供的径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯，能够在嬗变TRU的同时提高发电效率，实现高发电效率和高效核废料嬗变的目的。
2、本发明相比于国际上的ADS研究计划方案，本发明提供的径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯中，嬗变燃料区的各个分区的几何厚度引入了数学方法进行优化，得到一个嬗变燃料区几何厚度分层合理的次临界堆芯，其径向功率展平效果很好。
3、本发明相比于国际上的其他径向功率展平的ADS次临界堆芯设计（均为发行采用数学方法进行设计），本发明采用数学方法提供的径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯嬗变燃料区分区更合理，径向展平功率更容易，具有理论上和经济上的优势。
附图说明
图1是本发明的横向布置图；
图2是本发明的纵向布置图。
具体实施方式
本发明提供一种径向功率展平的高效率核废料嬗变次临界堆芯。
对于ADS而言，其堆芯设计目前多采用三角形布置，该布置可使堆芯结构紧凑。由此，其燃料组件为六角形形式。
鉴于目前反应堆多采用3批换料方案设计，设计原理以此为实例来进行说明（该设计原理也可用于非3批换料方案的径向功率展平设计）。将堆芯燃料组件按3层即内燃料区、中燃料区和外燃料区分层布置。按热工限制条件考虑，为保证传热效率，内、中、外燃料区的平均线功率密度宜相等。设堆芯内燃料区、中燃料区、外燃料区的功率分别为P1、P2、P3，各区对应组件数分别为N1、N2、N3。而线功率密度可以这样考虑：每一个燃料组件中所含有的燃料棒数就工程实现而言是一定的（设为c），同时每个燃料棒的活性区长度（设为l）也是一致的，则每层燃料的平均线功率密度（设为λi）可以这样计算：
λi=Pi×0.974/Ni/c    (1)
其中i=1,2,3，Pi分别为（内/中/外）燃料区功率，0.974为反应堆燃料的释热份额（参见《核反应堆工程原理》（第二版修订本）（凌备备主编）第221页），Ni为（内/中/外）燃料区组件数。也即是：
Pi=λ×N×l×c/0.974    (2)
展平径向功率表明各区的平均线功率密度应近似相等，即有：
λ1≈λ2≈λ3    (3)
另一方面，从功率输出考虑不同燃料区之间的功率需均匀分配，也即是：
P1≈P2≈P3    (4)
由各区的平均线功率密度应近似相等和不同燃料区功率近似相等，以及从换料方案设计考虑，则三个燃料区的组件数越均匀越好，则有：
N1≈N2≈N3    (5)
用数学语言进行阐述，即是各层燃料组件的实际组件数与数学期望之间的偏离程度越小越好。设置N为数学期望，则有：
N=(N1+N2+N3)/3    (6)
其中N为三燃料区组件数的平均值，N1、N2、N3分别为内、中、外燃料区的燃料组件数。
那么则有方差：
D(N)=(N1-N)2+(N2-N)2+(N3-N)2    (7)
其中D(N)为三燃料区组件数的方差，N、N1、N2、N3意义同(6)。
D(N)越小，则说明数据波动越小，越稳定，也即是三个燃料区的组件数越均匀，反之则不然。
本发明所设计堆芯为7层燃料组件，从换料方案考虑按燃料富集度划分为3层，则可以有的模型有223、232、322、421、124、142、412这7种模型。表1列出了各模型由内到外每层组件数和对应方差。
表1堆芯方案三层燃料组件模型方差
模型 223 232 322 421 124 142 412
内燃料区 30 30 54 84 12 12 84
中燃料区 54 90 66 78 42 108 36
外燃料区 126 90 90 48 156 90 90
方差 4992 2400 672 744 11544 5208 1752
从表1可以显然得出：322模型的方差最小，也即是此模型下三个燃料区的组件数较其他模型更均匀。也即是说，若三层燃料模型方案进行径向功率展平，322模型较其他模型更易展平功率。
由上述结论，本发明所涉及的一种径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯，相关布置为：从其中心向外依次为外中子源区1、嬗变燃料区2、嬗变燃料区3、嬗变燃料区4、反射区5和屏蔽区6。在轴向上，反射区5和屏蔽区6均分别分布在燃料棒上。外中子源区1使用高能质子撞击靶材发生散裂反应产生的散裂中子作为外中子源；嬗变燃料区2、嬗变燃料区3、嬗变燃料区4使用TRU（即MA和Pu）作为燃料；反射区5采用液态铅铋和不锈钢作为反射材料；屏蔽区6使用碳化硼作为屏蔽材料。由外中子源区1提供的散裂中子在嬗变分区2、3、4使燃料发生裂变反应，利用其中的快中子嬗变TRU。嬗变燃料区分3区布置，且采用特定的几何厚度分层布置，展平嬗变燃料区的径向功率分布。该次临界堆芯可以实现在高效利用快中子嬗变TRU的同时提高发电效率。
在本发明提供的径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯，其外中子源提供的散裂中子能量约10MeV。外中子源驱动嬗变燃料区2、3、4中的燃料发生裂变反应，泄漏出去的快中子到达反射区5后反射回来，最终产生能量约540keV的快中子，可实现嬗变TRU的功能；同时针对嬗变燃料分区2、3、4采用特定的几何厚度布置，展平嬗变燃料区的径向功率分布，可实现提高发电效率的功能。
下面结合实例对本发明的技术方案作进一步解释，
如图1所示，一种径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯，从其中心向外依次为外中子源区1、嬗变燃料区2、嬗变燃料区3、嬗变燃料区4、反射区5和屏蔽区6。堆芯总高度2.6m，直径3.8m，其中活性区高度1m，直径2.44m。如图2所示，外中子源1贯穿整个堆芯，从嬗变燃料区2、3、4向上下两端分布依次为反射区5、屏蔽区6。
外中子源区1：放置一个直径为20cm的液态铅铋合金散裂靶，可选用有窗靶或无窗靶。采用高能强流质子加速器产生的能量为1.5GeV，平均流强10mA的高能质子束轰击液态铅铋合金靶材料，产生10MeV的中子，作为驱动嬗变燃料区2、3、4的外中子源。
嬗变燃料区2、3、4：嬗变燃料区2由54盒燃料组件组成，共3层燃料组件，采用低浓度TRU；嬗变燃料区3由66盒燃料组件组成，共2层燃料组件，采用中浓度TRU；嬗变燃料区4由90盒燃料组件组成，共2层燃料组件，采用高浓度TRU。针对不同浓度的嬗变燃料区2、3、4，采用3层组件、2层组件和2层组件这一特定的几何厚度分层方式主要是获得堆芯径向功率展平的最佳效果。燃料组件采用六边形套管组件，每盒组件由271根燃料棒组成，三角形排列。燃料组件高度2.6m，板对板距离170mm，组件间隙4mm。燃料棒外径6.7mm，棒间距10mm，包壳厚度0.5mm，芯块与包壳间距0.1mm。反射区5和屏蔽区6的轴向分布均布置在燃料棒上。
反射区5：反射区5由2层反射组件组成，主体材料为液态铅铋和不锈钢，将由嬗变燃料区4泄漏出来的中子反射回去。
屏蔽区6：屏蔽区6由1层六边形屏蔽组件组成，主体材料为碳化硼，结构材料为不锈钢，主要屏蔽从由反射区5泄漏出来的中子，减少中子对堆芯外围部件的中子辐照损伤。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯的设计方法，其特征在于：该反应堆为三角形布置堆芯布局，基于中子物理学和热工水力原理引入数学方差方法，并根据反应堆通用的3批换料方案，将嬗变燃料区径向分为三个燃料区，由内到外分别是低浓度TRU第一嬗变燃料区（2），中浓度TRU第二嬗变燃料区（3）和高浓度TRU第三嬗变燃料区（4），得出方差最小的嬗变燃料区分区模型，根据该分区模型设计第一嬗变燃料区（2）、第二嬗变燃料区（3）、第三嬗变燃料区（4）的径向几何厚度，实现三角形布置反应堆径向展平功率的目标。
2.一种径向功率展平的高效核废料嬗变次临界堆芯，从其中心向外依次为外中子源区（1）、第一嬗变燃料区（2）、第二嬗变燃料区（3）、第三嬗变燃料区（4）、反射区（5）和屏蔽区（6），外中子源区（1）使用高能质子撞击靶材发生散裂反应所产生的散裂中子作为外中子源；第一嬗变燃料区（2）、第二嬗变燃料区（3）、第三嬗变燃料区（4）使用不同浓度的TRU作为燃料；反射区（5）采用液态铅铋和不锈钢作为反射材料；屏蔽区（6）使用碳化硼作为屏蔽材料，其特征在于，嬗变燃料区分三区布置，即分为第一嬗变燃料区（2）、第二嬗变燃料区（3）、第三嬗变燃料区（4）三区；由外中子源区1提供的散裂中子在第一嬗变燃料区（2）、第二嬗变燃料区（3）、第三嬗变燃料区（4）使燃料发生裂变反应，利用其中的快中子嬗变TRU，嬗变燃料各分区按照权利要求1所述的方法对第一嬗变燃料区（2）、第二嬗变燃料区（3）、第三嬗变燃料区（4）进行特定的几何厚度分层布置，展平嬗变燃料区径向功率分布，实现一个堆芯高发电效率和高效TRU核废料的嬗变目的。
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