CN103345947A - 利用二次中子源进行核反应堆点火的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用二次中子源进行核反应堆点火的方法，包括如下步骤：（1）在第一核反应堆的第N次循环装料时装入至少两组二次中子源组件S`并进行中子辐照，所述第一核反应堆还具有两组首次循环已装入的二次中子源组件S；（2）在第一核反应堆的第N次循环寿末期取出二次中子源组件S`；（3）将取出的二次中子源组件S`中的两组装入第二核反应堆的首循环中，籍由所述二次中子源组件S`实现对第二核反应堆首循环的点火；其中，N为大于等于2的自然数；解决了现有技术中利用一次中子源组件进行点火所带来的技术问题，使得成本得到大大的降低。

Description

利用二次中子源进行核反应堆点火的方法

技术领域

本发明涉及一种核反应堆的点火方法，尤其涉及一种利用二次中子源进行核反应堆点火的方法。

背景技术

核反应堆是核能源利用的心脏，它的工作原理如下：原子由原子核与核外电子组成，而原子核又由质子与中子组成。当铀(元素符号：U)235的原子核受到外来中子轰击时，一个原子核会吸收一个中子分裂成两个质量较小的原子核，同时放出2-3个中子，该裂变产生的中子又去轰击另外的铀235原子核，引起新的裂变，如此持续进行就是核裂变的链式反应，链式反应产生大量能量，因此在铀核裂变放出中子的同时，还会释放出巨大的能量，具体计算如下：假定铀235吸收一个中子后，裂变成一个溴（元素符号：Br）85核和一个镧(元素符号：La)148核，同时放出三个中子，铀235的质量为235.124u，溴85的质量为84.938u，镧148的质量为147.96u，中子的质量为1.009u，因此：

铀235裂变前的质量总和为：235.124+1.009=236.133u；

裂变后的质量总和为：47.96+84.938+3×1.009=235.925u；

裂变过程中质量的减少为：236.133－235.925=0.208u，铀235裂变过程的质量损失，根据爱因斯坦相对论可知，其变成了能量，依据爱因斯坦的质能转换公式：E＝mc²，可知上述一个铀235原子核发生铀核裂变放出的能量约为194兆电子伏，这个数值是非常巨大的，例如，1克铀235完全裂变所释放的能量，相当于2吨优质煤完全燃烧时所释放的能量，利用铀235裂变所释放的能量可为人们提供高效清洁的能源。

要能使铀235持续进行核裂变的链式反应，中子的提供是必过可少的，因此在核反应堆内首先必须要有中子，这样才能激发铀235的链式反应开始（即，核反应堆的点火），后续陆续产生中子使得链式反应得以持续进行。目前，为进行临界监督，核反应堆的首次循环一般全部装载新燃料组件。

如图1所示为现有的核反应堆的首先循环示意图，其首次循环的核反应堆内都同时设计有一次中子源组件P和二次中子源组件S，一次中子源组件P能自发产生中子，二次中子源组件S只有在核反应堆内经过中子辐照后，才能激活成为中子源产生中子，其中一次中子源组件P通常为钋（元素符号：Po）-铍（元素符号：Be）中子源组件或锎（元素符号：Cf）中子源组件，其自发产生中子

的原理如下：

钋-铍中子源组件，铍210放出α离子轰击铍核从而产生中子，即：

$\mathrm{\α}+\mathrm{Be}_4^9\→C_6^{16}+n_0^1;$

锎中子源组件,锎252是个强中子射源，因此其放射性极高，非常危险。锎252有近97.0%的概率进行α衰变（损失两颗质子和两颗中子），并形成锔(元符号位：Cm)248，剩余的3.0%概率进行自发裂变产生中子。具体如下：

由于上述可知，一次中子源组件P为钋-铍中子源组件和锎（元素符号：Cf）中子源组件均能自发产生中子，因此一次中子源组件在核反应堆的首次循环中承担开启链式反应的点火作用，之后二次中子源组件S在一次中子源组件P产生的中子辐照的作用下产生中子，通过二次中子源组件S持续不断为核反应堆提供中子，从而使得核反应堆得以持续进行，进而实现链式反应，常用二次中子源组件S为锑（元素符号：Sb）-铍（元素符号为：Be）中子源组件，其受中子辐照后产生中子的原理如下：

$\mathrm{Sb}_{51}^{123}+n_0^1\→\mathrm{Sb}_{51}^{124},$

的半衰期为60天，中子辐照后生成的

放出γ射线打击

从而产生中子，产生下列反应：

$\mathrm{\γ}+\mathrm{Be}_4^9\→2\mathrm{He}_2^4+n_0^1.$

继续结合图2可知，现有的核反应堆的首次循环都是通过一次中子源组件P自发产生的中子来对核反应堆进行点火，而核反应堆的后续循环（除首次循环外）都是通过受中子辐射的二次中子源组件S所产生的中子来维持链式反应的进行；目前这种通过一次中子源组件P进行点火的方式存在以下缺陷：

（1）一次中子源组件P非常昂贵，单组一次中子源组件P价格上千万元人民币，大大的增加了成本。

（2）一次中子源组件P能够自发裂变和衰变，因此在其制造、运输、安装、贮存和后处理过程中都需要经过严格审批流程，也大大的增加了成本和工序；

（3）一次中子源组件P在制造、运输、安装、贮存和后处理存在意外临界和人员剂量超限的风险；

（4）一次中子源组件P需要在装料前1年多生产好，而核反应堆的堆芯燃料组件装载时间难以精确控制，存在由于一次中子源组件P衰减过多而无法对首次循环的核反应堆进行正常点火的风险。

因此，亟需一种核反应堆点火的新方法，以解决利用一次中子源组件P进行点火所带来的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、安全且稳定的利用二次中子源进行核反应堆点火的方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用二次中子源进行核反应堆点火的方法，其包括如下步骤：（1）在第一核反应堆的第N次循环装料时装入至少两组二次中子源组件S`并进行中子辐照，所述第一核反应堆还具有两组首次循环已装入的二次中子源组件S；（2）在第一核反应堆的第N次循环寿末期取出二次中子源组件S`；（3）将取出的二次中子源组件S`中的两组装入第二核反应堆的首循环中，籍由所述二次中子源组件S`实现对第二核反应堆的首循环的点火；其中，N为大于等于2的自然数。

较佳者，所述第一核反应堆中的二次中子源组件S`及二次中子源组件S均呈对称设置。

较佳者，所述第二核反应堆中的二次中子源组件S`呈对称设置。

较佳者，所述二次中子源组件S及二次中子源组件S`均为锑-铍中子源组件。

与现有技术相比，由于本发明将第一核反应堆的第N次循环寿末期取出的二次中子源组件S`装入第二核反应堆的首循环中，籍由所述二次中子源组件S`实现对第二核反应堆的首循环的点火，解决了现有技术中利用一次中子源组件进行点火所带来的技术问题，同时利用上述二次中子源组件S`对第二核反应堆的首循环进行点火，使得成本得到大大的降低，并且由于二次中子源组件不能够自发裂变和衰变，因此在其制造、运输、安装、贮存和后处理过程的风险也得到大大的降低；具体为，本发明不需要一次中子源及其组件，直接采用辐照后的二次中子源组件进行替代，减少了设计论证过程，节约了一次中子源及其组件的采购、运输、贮存和后处理费用和安全保障所带来的繁琐事务，还简化了核反应堆的首循环装卸料操作步骤，节约时间，同时由于二次中子源较强，可以降低对源量程探测器灵敏度的要求，进而进一步降低设计成本。

附图说明

图1是现有的核反应堆的首循环的示意图。

图2是图1的核反应堆的后续某循环的示意图。

图3是本发明利用二次中子源进行核反应堆点火的方法流程图。

图4是第一核反应堆的第N次循环的示意图。

图5是将从图4中的第一核反应堆中取出的二次中子源组件S`装入第二核反应堆的首循环的示意图。

图6是图5的第二核反应堆的后续某循环的示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件，特别值得注意的是，图1、图2及图4中的符号S均表示二次中子源组件S，图4、图5及图6中的符号S`均表示二次中子源组件S`。

如图3所示，本发明利用二次中子源进行核反应堆点火的方法，包括如下步骤：

（D1）在第一核反应堆的第N次循环装料时装入至少两组二次中子源组件S`并进行中子辐照，所述第一核反应堆还具有两组首次循环已装入的二次中子源组件S；

（D2）在第一核反应堆的第N次循环寿末期取出二次中子源组件S`；

（D3）将取出的二次中子源组件S`中的两组装入第二核反应堆的首循环中，籍由所述二次中子源组件S`实现对第二核反应堆的首循环的点火；其中，N为大于等于2的自然数，即第N次循环为除首循环外的任意一次循环；

另，在上述步骤（D1）的“第一核反应堆的第N次循环装料时装入至少两组二次中子源组件S`并进行中子辐照”中的二次中子源组件S`的组数及所述N值的具体数值，均为本领域普通技术人员根据具体情况的需要，不需任何创造性劳动即可作出选择和确定的，故在此不再作详细的描述。

结合图4、图5及图6，由上述本发明利用二次中子源进行核反应堆点火的方法可知，本发明的第二核反应堆200的首循环进行点火的方法为：首先，如图4所示，在第一核反应堆100的第N次循环装料时装入至少两组二次中子源组件S`并进行中子辐照，且所述第一核反应堆100还具有两组首次循环已装入的二次中子源组件S；其次，继续如图4所示，在第一核反应堆100的第N次循环寿末期取出二次中子源组件S`；最后，如图5-6所示，将取出的二次中子源组件S`中的两组装入第二核反应堆200的首循环中，籍由所述二次中子源组件S`实现对第二核反应堆200的首循环的点火；其中，N为大于等于2的自然数，即第N次循环为除首循环外的任意一次循环均可。

继续结合图3-6所示，较佳者，本发明利用二次中子源进行核反应堆点火的方法，所述第一核反应堆中的二次中子源组件S`及二次中子源组件S均呈对称设置。

继续结合图3-6所示，较佳者，本发明利用二次中子源进行核反应堆点火的方法，所述第二核反应堆中的二次中子源组件S`呈对称设置。

继续结合图3-6所示，较佳者，本发明利用二次中子源进行核反应堆点火的方法，所述二次中子源组件S及二次中子源组件S`均为锑-铍中子源组件（即，Sb-Be中子源组件）。

以下结合图3-6所示，以二次中子源组件S为Sb-Be中子源组件，以二次中子源组件S`为Sb-Be中子源组件，以N为自然数3，以第一核反应堆100的第3次循环装料时装入两组二次中子源组件S`为具体实施方式为例，对利用二次中子源组件S`对第二核反应堆200的首循环的进行点火的方法作一详细的说明：首先，在第一核反应堆100的第3次循环装料时装入两组由Sb-Be中子源组成的二次中子源组件S`并进行中子辐照，且所述第一核反应堆100还具有两组首次循环已装入的由Sb-Be中子源组成的二次中子源组件S，在该步骤中，由于第一核反应堆100内链式反应在正常进行，即持续不断的有中子

的产生，该中子的产生主要由Sb-Be中子源组成的二次中子源组件S受中子辐照所产生的，而该中子辐照主要由于上次核反应中的U235发生核裂变及上次Sb-Be中子源受中子辐照所产生的中子形成；其次，在第一核反应堆100的第3次循环寿末期取出由Sb-Be中子源组成的二次中子源组件S`，由于该取出的二次中子源组件S`接受过中子辐照，因此能产生中子，具体原理如下：由Sb-Be中子源组成的二次中子源组件S`受中子辐照后产生中子的原理如下：

的半衰期为60天，中子辐照后生成的

放出γ射线打击

从而产生中子，产生下列反应：

最后，将取出的受过中子辐照后的由Sb-Be中子源组成的二次中子源组件S`中的两组装入第二核反应堆200的首循环中，由于受中子辐照后的二次中子源组件S`能产生中子，因此籍由该二次中子源组件S`可实现第二核反应堆200的首循环的点火，从而解决了现有技术中利用一次中子源组件进行点火所带来的技术问题。

结合图3-6可知，由于本发明将第一核反应堆100的第N次循环寿末期取出的二次中子源组件S`装入第二核反应堆200的首循环中，籍由所述二次中子源组件S`实现第二核反应堆200的首循环的点火，解决了现有技术中利用一次中子源组件进行点火所带来的技术问题，同时利用上述二次中子源组件S`实现对第二核反应堆200的首循环的点火，使得成本得到大大的降低，并且由于二次中子源组件不能够自发裂变和衰变，因此在其制造、运输、安装、贮存和后处理过程的风险也得到大大的降低，具体为，本发明不需要一次中子源及其组件，直接采用辐照后的二次中子源组件进行替代，减少了设计论证过程，节约了一次中子源及其组件的采购、运输、贮存和后处理费用和安全保障所带来的繁琐事务，还简化了核反应堆的首循环装卸料操作步骤，节约时间，同时由于二次中子源较强，可以降低对源量程探测器灵敏度的要求，进而进一步降低设计成本。

另，本发明所涉及的二次中子源组件S、二次中子源组件S`及核反应堆的结构、工作原理以及核反应的链式反应原理，均为本领域普通技术人员所熟知的，在此不再作详细的说明。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种利用二次中子源进行核反应堆点火的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在第一核反应堆的第N次循环装料时装入至少两组二次中子源组件S`并进行中子辐照，所述第一核反应堆还具有两组首次循环已装入的二次中子源组件S；

（2）在第一核反应堆的第N次循环寿末期取出二次中子源组件S`；

（3）将取出的二次中子源组件S`中的两组装入第二核反应堆的首循环中，籍由所述二次中子源组件S`实现对第二核反应堆的首循环的点火；

其中，N为大于等于2的自然数。

2.如权利要求1所述的利用二次中子源进行核反应堆点火的方法，其特征在于，所述第一核反应堆中的二次中子源组件S`及二次中子源组件S均呈对称设置。

3.如权利要求1所述的利用二次中子源进行核反应堆点火的方法，其特征在于，所述第二核反应堆中的二次中子源组件S`呈对称设置。

4.如权利要求1所述的利用二次中子源进行核反应堆点火的方法，其特征在于，所述二次中子源组件S及二次中子源组件S`均为锑-铍中子源组件。

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