CN103871485B - 一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯 - Google Patents

一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯，属于核反应堆领域，这种反应堆堆芯包括：靶区（A），快谱区（B），深度负反馈区（C）。本发明提出的基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈反应堆堆芯能够克服由于在现有技术条件下由于加速器束流不稳定而引起的反应堆功率不稳定的问题，能在不同次临界次临界深度下稳定运行，这种反应堆堆芯由于具有很大的燃料多普勒系数，所以具有很好的固有安全性。

Description

一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯
技术领域
本发明涉及反应堆装备领域，属于反应堆工程技术领域，具体涉及一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯。
背景技术
加速器驱动次临界清洁核能系统（是未来嬗变核废料最有效的手段之一，通过加速器实现对质子进行加速，在反应堆内与靶产生散裂反应，产生高能中子，将核废料嬗变成短寿命的放射性核素或稳定的核素，有望实现反应堆对环境的零放射性污染，同时加速器驱动次临界清洁核能系统具有功率输出的作用。
加速器的束流是否稳定将对反应堆的功率产生重要影响，而反应堆的功率的频繁变化将对反应堆的结构材料产生巨大的考验，影响反应堆的功率输出。但是由于现有的技术前提下，加速器难以保持束流的稳定。这将对加速器驱动次临界清洁核能系统的稳定运行提出艰巨的挑战。
脉冲反应堆是一种具有很大的瞬发负反馈系数的热中子反应堆，采用铀氢化锆燃料，一般被用作脉冲的中子源。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯，解决基于现有的技术条件下加速器束流的不稳定引起反应堆的功率频繁变化的问题。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯，包括靶区，由质子管和靶材料组成，加速的高能质子进入靶区与靶材料反应发生散裂反应，产生高能中子；快谱区装载乏燃料、贫铀，由快谱区的高能中子对乏燃料进行嬗变或对贫铀进行增殖；深度负反馈区，装载铀氢化锆燃料，利用铀氢化锆的负反馈能力保持反应堆功率的稳定，从内到外依次为靶区、快谱区与深度负反馈区。
其中，深度负反馈区采用铀氢化锆燃料，利用铀氢化锆的负反应性补偿由于加速器束流引起的反应堆功率变化。
其中，基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯，燃料采用嬗变组件快谱区与铀氢化锆燃料组件深度负反馈区双区布置。
本发明与现有技术相比的优点为：反应堆采用快区和深度负反馈区双区布置，利用快谱区进行燃料增殖和核废料嬗变，利用铀氢化锆的负反应性补偿由于加速器束流引起的反应堆功率变化。
附图说明
图1为基于加速器驱动次临界系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯；
图中附图标记的含义为：A为靶区，B为快谱区，C为深度负反馈区。
图2反应堆功率随加速器束流变化的响应曲线；
图3为基于加速器驱动次临界系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯的一个具体实施例。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈反应堆，包括靶区，快谱区，深度负反馈区。利用利用快谱区进行燃料增殖和核废料嬗变，利用铀氢化锆的负反应性补偿由于加速器束流引起的反应堆功率变化。如图1所示，种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯，包括嬗变组件靶区A，由质子管和靶材料组成，加速的高能质子进入靶区与靶材料反应发生散裂反应，产生高能中子；材料为结构材料钢和弥散型和或氧化物核废料，铀氢化锆燃料组件快谱区B，快谱区装载乏燃料、贫铀，由快谱区的高能中子对乏燃料进行嬗变或对贫铀进行增殖；深度负反馈区C，装载铀氢化锆燃料，利用铀氢化锆的负反馈能力保持反应堆功率的稳定。靶区A与快谱区B与深度负反馈区C按附图1所示的关系进行排列；
其中，深度负反馈区采用铀氢化锆燃料，利用铀氢化锆的负反应性补偿由于加速器束流引起的反应堆功率变化。
其中，基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯，燃料采用嬗变组件快谱区B与铀氢化锆燃料组件深度负反馈区C双区布置。
本发明一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯具体工作方式如下：
所述的一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯由于具有很大的燃料温度系数，燃料温度系数是一种瞬发温度系数，即在燃料温度变化的时候立即体现出来，并且为负值，即当燃料温度增加时，引起反应堆反应性的下降，燃料温度降低时，引起反应堆温度的增加。
如图2所示，实线表示反应堆没有深度负反馈区，虚线表示反应堆有深度负反馈区，在t=1s时，加速器束流增加，引起反应堆功率线性增加，实线代表的无深度负反馈区的反应堆功率增加，到一个阶段后稳定下来，而虚线代表的有深度负反馈区的反应堆功率在加速器束流增加时反应堆功率略有上升，导致燃料增加，深度负反馈区的负反馈系数使反应性下降，功率降低，维持反应堆功率稳定。在t=3s时，加速器束流减小，引起反应堆功率线性减小，无深度负反馈区的反应堆功率下降到一个阶段后稳定下来，有深度负反馈区的反应堆功率在加速器束流增加时反应堆功率略有下降，导致燃料温度降低，深度负反馈区的负反馈系数使反应性上升，功率增加，维持反应堆功率稳定。因此，在加速器驱动次临界清洁核能系统中加入深度负反馈区，可以使反应堆的功率维持稳定。
由于采用的铀氢化锆燃料含有氢元素，将慢化反应堆的中子，这对反应堆的嬗变及燃料增殖性能产生影响，所以反应堆采取双区布置，将嬗变区置于反应堆堆芯中央，由于嬗变区中没有慢化能力强的材料，能谱很高，可以用于嬗变及燃料增殖。深度负反馈区位于嬗变区外围，中子能谱较低，为加速器驱动次临界清洁核能系统系统提供产能及功率调节的作用。
反应堆采用快区和深度负反馈区双区布置，利用快谱区进行燃料增殖和核废料嬗变，利用铀氢化锆的负反应性补偿由于加速器束流引起的反应堆功率变化。
如图2所示基于加速器驱动次临界系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯的一个具体实施例，包括嬗变组件1，材料为结构材料钢和弥散型和或氧化物核废料，铀氢化锆燃料组件2，材料为结构材料钢和铀氢化锆燃料；反射层组件3，材料为钢；屏蔽层组件4，材料为含硼材料，防止对反应堆外围结构部件与环境产生过高的辐照影响；控制棒组件5，材料为结构材料钢和铅铋合金，金属冷却剂6，材料为氦气、二氧化碳、钠、铅、铅基合金，嬗变组件1与铀氢化锆燃料组件2与反射层组件3与屏蔽层组件4与控制棒组件5按照附图2的位置关系进行排列。金属冷却剂6为液体和或气体，填满嬗变组件1与铀氢化锆燃料组件2与反射层组件3与屏蔽层组件4与控制棒组件5之间的空隙。
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 (3)

1.一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯，其特征在于：包括靶区（A），由质子管和靶材料组成，加速的高能质子进入靶区与靶材料反应发生散裂反应，产生高能中子；快谱区（B），快谱区装载乏燃料、贫铀，利用快谱区的高能中子对乏燃料进行嬗变或对贫铀进行增殖；深度负反馈区（C），装载铀氢化锆燃料，利用铀氢化锆的负反馈能力保持反应堆功率的稳定，从内到外依次为靶区（A）、快谱区（B）与深度负反馈区（C）。
2.根据权利要求1所述的一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯，其特征在于：深度负反馈区采用铀氢化锆燃料，利用铀氢化锆的负反应性补偿由于加速器束流引起的反应堆功率变化。
3.根据权利要求1所述的一种基于加速器驱动次临界清洁核能系统的深度负反馈嬗变反应堆堆芯，其特征在于：燃料采用快谱区（B）与深度负反馈区（C）双区布置。
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