CN103093836A - 一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层 - Google Patents

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Abstract

一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，由多个相同的独立小模块组成，每个小模块的整体形状为“D”字型，包括内包层、外包层以及其间形成的“D”字型等离子体腔，内包层为圆柱体型，沿径向从内到外依次为内屏蔽层、内反射层、内第一壁和内刮削层，外包层整体形状也为“D”字型，沿径向从内到外依次为外刮削层、外第一壁、嬗变区、氚增殖区，外反射层和外屏蔽层，嬗变区内沿外第一壁水平布置多个嬗变燃料组件；采用模块化的设计，以便于燃料的装载和卸装；嬗变区嬗变燃料组件的水平布置，提高了嬗变区的填充率，使得嬗变包层的结构更加紧凑；嬗变燃料组件内的燃料采用金属合金燃料，获得一个比较硬的能谱，有利于MA通过裂变反应进行直接有效的嬗变。

Description

一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层
技术领域
本发明属于次锕系核素嬗变技术领域，具体涉及一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层。
背景技术
目前世界上的裂变反应堆已经产生了大量的高放射性核废料，这些高放射性核废料已经成为制约核电发展的重要原因之一。基于这一原因，核废料的嬗变已经成为国际热点问题，尤其是对高放射性的长寿命次锕系核素（简称MA）的嬗变研究。
聚变驱动的次临界嬗变包层是依靠聚变反应产生的中子驱动而在次临界状态下运行，次临界度可以设计的比较深，减少发生超临界事故的可能。聚变中子的能量为14.1MeV,这有利得到一个非常硬的中子能谱。在硬的中子能谱下，有利于MA直接通过裂变反应进行有效的嬗变。而MA的裂变反应会释放大量的能量，这部分能量除了供聚变反应所消耗的能量外，还可以利用多余的能量来发电；同时MA的裂变反应可对聚变产生的中子源起到一个放大的作用，这样可以降低对聚变技术的要求。
基于聚变技术和快堆技术的发展，目前国际上对聚变驱动的次临界嬗变包层做了相关的研究，主要包括以下方案：
A.中国合肥等离子体所的双冷嬗变包层；
B.美国佐治亚理工学院聚变研究中心提出的三种不同冷却剂的快中子谱次临界嬗变堆。
C.美国SNL(Sandia National Laboratories)的以液态金属作为燃料的嬗变包层；
方案A采用相对于ITER较低的聚变参数，PbLi既是嬗变燃料区的冷却剂又是氚增殖剂，燃料采用碳化物的形式，其它区域采用He作为冷却剂，它需要两个冷却剂的驱动系统，这样会使结构变复杂。
方案B中三种不同冷却剂的快中子谱次临界嬗变堆的主要目的是嬗变超铀元素，分别以PbLi、He和Na作为冷却剂，其嬗变包层是圆柱模型，与国际热核聚变实验堆（简称ITER）的“D”字等离子体腔不一致。
方案C跟方案B一样，采用圆柱体型，液态铅被选择作为冷却剂，采用熔盐燃料，液态金属燃料被溶解在(LiF)2-AnF3溶液里。熔盐燃料腐蚀性大，燃料的净化提纯难度大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，它能够有效地减轻放射性核素的贮存负担，为核电的可持续发展提供有利的支撑。
本发明的设计思想为：聚变源中子的能量为14.1MeV,这有利得到一个非常硬的中子能谱。硬的中子能谱有利于嬗变长寿命的MA，因为MA在热谱下的裂变俘获比远远小于1，则MA主要通过(n,γ)核反应进行嬗变，但其嬗变后的产物仍然是锕系核素。而在快谱下，对于绝大多数的MA，其裂变俘获比是大于1的，则主要通过裂变反应嬗变锕系核素，这样能真正有效的嬗变MA。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，由多个相同的独立小模块组成，每个小模块的整体形状为“D”字型，包括内包层、外包层以及内包层和外包层间形成的“D”字型等离子体腔1，所述内包层为圆柱体型，沿径向从内到外依次为内屏蔽层11、内反射层10、内第一壁9和内刮削层8，所述外包层的整体形状和等离子体腔1也为“D”字型，沿径向从内到外依次为外刮削层2、外第一壁3、嬗变区4、氚增殖区5，外反射层6和外屏蔽层7，在所述嬗变区4、氚增殖区5，外反射层6和外屏蔽层7的一端均为第一冷却剂通道14，另一端均为第二冷却剂通道15，所述嬗变区4内沿外第一壁3水平布置多个嬗变燃料组件20。
所述嬗变区4布置的嬗变燃料组件20内的燃料类型为为金属合金。
所述金属合金为60（MA-Pu）-40Zr。
所述60（MA-Pu）-40Zr中MA和Pu的比例为1.5。
所述每个嬗变燃料组件20包括多个按六角形排布的燃料棒16，燃料棒16外为燃料棒包壳17，燃料棒包壳17和格栅间为冷却剂18，每个嬗变燃料组件的外围包有组件壁19。
所述燃料棒16和冷却剂18的体积比为1.06。
所述氚增殖区5采用LiSiO4作为氚增殖剂，填充率为70％。
所述整个包层的结构材料采用HT-9。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明基于较低的聚变参数和比较成熟的快堆技术，采用模块化的设计，以便于燃料的装载和卸装；每个小模块内嬗变区嬗变燃料组件的水平布置，提高了嬗变区的填充率，使得嬗变包层的结构更加紧凑；
2、嬗变燃料组件内的燃料采用金属合金燃料，获得一个比较硬的能谱，有利于MA通过裂变反应进行直接有效的嬗变。
3、本发明金属合金燃料选用60（MA-Pu）-40Zr，其中MA和Pu的比例为1.5，使得在整个运行期间有效增值因子Keff随燃耗的变化比较缓慢，有利于通过调节聚变功率来获得一个恒定的输出功率。
附图说明
图1是单个模块的XZ剖面图。
图2是单个模块的XY剖面图。
图3是嬗变区的组件水平布置图。
图4是单个组件的截面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明结构进行详细说明。
本发明采用的聚变参数和设计要求：
（1）等离子体腔的大半径和小半径分别为3m和0.75m，环径比为4，拉长比为1.7；
（2）聚变功率小于200MW，第一壁负载小于1MW/m2，氚增殖比大于1.15，能量放大倍数大于10，输出的热功率为1500MW；
如图1和图2所示，为单个模块的剖面图，每个包层模块的整体形状为“D”字型，包括内包层、外包层以及内包层和外包层间形成的“D”字型等离子体腔1，所述内包层为圆柱体型，沿径向从内到外依次为内屏蔽层11、内反射层10、内第一壁9和内刮削层8，本实施例内屏蔽层11、内反射层10、内第一壁9和内刮削层8沿径向厚度分别为25cm、25cm、2cm和10cm；所述外包层的整体形状和等离子体腔1一样也为“D”字型，沿径向从内到外依次为外刮削层2、外第一壁3、嬗变区4、氚增殖区5，外反射层6和外屏蔽层7，所述外第一壁3的径向厚度为2cm，所述外反射层6的径向厚度为25cm，外屏蔽层7的径向厚度为25cm；在所述嬗变区4、氚增殖区5，外反射层6和外屏蔽层7的一端均为第一冷却剂通道14，另一端均为第二冷却剂通道15，基于目前相对比较成熟的Na冷快堆技术，选Na为冷却剂。所述嬗变区4内沿外第一壁3水平布置多个嬗变燃料组件20。这样有利于提高嬗变燃料的填充率，使得整个次临界嬗变包层更加紧凑。区域13为偏滤器；区域12为石墨材料，由于该区域沿环向比较窄，为了保证所有嬗变燃料组件的长度一致，该区域没有填充嬗变燃料组件。
所述嬗变区4布置的嬗变燃料组件20内的燃料类型为60（MA-Pu）-40Zr，所述60（MA-Pu）-40Zr中MA和Pu的比例为1.5，使得在整个运行期间有效增值因子Keff随燃耗的变化比较缓慢，有利于通过调节聚变功率来获得一个恒定的输出功率。在MA燃料中加入Pu主要是为了提高嬗变包层的能量放大倍数以降低对聚变技术的要求，而采用金属合金燃料主要因为金属合金燃料中重核素原子密度高，从中子学来看，这有利于中子增殖，金属合金燃料能耐深燃耗、导热性能好，并能得到比较硬一个中子能谱，有利于直接通过裂变反应嬗变MA，此外，金属合金燃料已在快中子反应堆中进行了大量辐照实验，证明其可行性；
如图3所示为嬗变区4内的嬗变燃料组件20排布方式，每个燃料组件的长度为76cm，其对边距为7.932cm。
如图4所示，每个嬗变燃料组件中包含按六角形排布的37根燃料棒16，燃料棒16外为燃料棒包壳17，燃料棒包壳17和格栅间为冷却剂18，每个嬗变燃料组件的外围包有组件壁19；燃料棒16的内径为0.84cm，燃料棒包壳17厚度为0.05cm，燃料棒的栅距为1.217cm，冷却剂18的体积与燃料棒16的体积比为1.06，组件壁19厚度为0.2cm；
本发明的工作原理为：等离子体腔1中的聚变源中子通过刮削层2和第一壁3进入嬗变区4，得到一个快中子能谱，在快谱下，则主要通过裂变反应嬗变锕系核素，同时MA裂变反应释放大量能量，第一冷却剂通道14内的Na通过嬗变区4内每个水平放置的嬗变燃料组件20，流向第二冷却剂通道15，以导出嬗变区4所产生的热量。
经过计算发现，在满足所有设计准则要求的前提下，在7年的照射时间里，MA的嬗变率（整个运行期间被嬗变掉的MA的质量与装载质量之比）为26.1％，其中237Np、241Am、243Am、244Cm的嬗变率分别为28.52％、30.25％、32.3％、9.07％，这四个核素占了初始MA质量的98.7％，因此它们是主要的嬗变对象。支持比（嬗变系统每年嬗变掉的MA的质量与一座100万千瓦电功率的裂变反应堆每年产生的MA的质量之比）为28。这样MA的存储量能够实质性地被减少，大大地减轻放射性核素的贮存负担，为核电的可持续发展提供了有利的支撑。

Claims (8)

1.一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，由多个相同的独立小模块组成，每个小模块的整体形状为“D”字型，包括内包层、外包层以及内包层和外包层间形成的“D”字型等离子体腔（1），所述内包层为圆柱体型，沿径向从内到外依次为内屏蔽层（11）、内反射层（10）、内第一壁（9）和内刮削层（8），所述外包层的整体形状和等离子体腔（1）也为“D”字型，沿径向从内到外依次为外刮削层（2）、外第一壁（3）、嬗变区（4）、氚增殖区（5），外反射层（6）和外屏蔽层（7），在所述嬗变区（4）、氚增殖区（5），外反射层（6）和外屏蔽层（7）的一端均为第一冷却剂通道（14），另一端均为第二冷却剂通道（15），其特征在于：所述嬗变区（4）内沿外第一壁（3）水平布置多个嬗变燃料组件（20）。
2.根据权利要求1所述的一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，其特征在于：所述嬗变区（4）布置的嬗变燃料组件（20）内的燃料类型为金属合金。
3.根据权利要求2所述的一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，其特征在于：所述金属合金为60（MA-Pu）-40Zr。
4.根据权利要求3所述的一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，其特征在于：所述60（MA-Pu）-40Zr中MA和Pu的比例为1.5。
5.根据权利要求1或2所述的一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，其特征在于：所述每个嬗变燃料组件（20）包括多个按六角形排布的燃料棒（16），燃料棒（16）外为燃料棒包壳（17），燃料棒包壳（17）和格栅间为冷却剂（18），每个嬗变燃料组件的外围包有组件壁（19）。
6.根据权利要求5述的一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，其特征在于：所述燃料棒（16）和冷却剂（18）的体积比为1.06。
7.根据权利要求1或2所述的一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，其特征在于：所述氚增殖区（5）采用LiSiO4作为氚增殖剂，填充率为70％。
8.根据权利要求1或2所述的一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，其特征在于：所述整个包层的结构材料采用HT-9。
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