CN106340336A - 一种利用同位素中子源嬗变核废料的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用同位素中子源嬗变核废料的系统，包括核废料组件(1)、中子源组件(2)、液态介质(3)、换热器(4)、石墨反射层(5)、混凝土屏蔽层(6)以及换料机构(7)。该系统通过中子源组件(2)自发的中子与核废料组件(1)发生反应，反应过程中产生的热量由液态介质冷却，并通过换热器(4)排出。当中子源组件(2)衰变完或者核废料组件(1)嬗变完后由换料机构(7)取出。在该系统中，嬗变过程完全自发进行，不用人为干预，没有新的废料产生，本发明具有系统结构简单，安全系数高，环保性能好等优点，为核废料处理开辟了新的途径。
Description
技术领域
本发明属于核能科学与工程领域，具体涉及一种利用同位素中子源嬗变核废料的系统。
背景技术
核废料寿命长、毒性大，容易迁移渗透到生物圈，如果处理不当就会造成水、大气、土壤的污染，对自然生态环境造成破坏，并间接或直接地影响人类的生存。核废料的危害主要来自次锕系(简称MA)和长寿命裂变产物(简称LLFP)。一座百万千瓦级的压水堆电站，每年卸出MA约20kg，LLFP约30kg。目前较为理想的核废料处置方案主要是分离和嬗变，也就是将核废料中的MA和LLFP分离出来，制成燃料元件然后利用中子源进行辐照，使其转变成短寿命核素或稳定同位素。MA嬗变是通过裂变反应转化为短寿命裂变产物或者LLFP。
目前用于嬗变的中子源有反应堆中子源、加速器中子源以及聚变中子源。利用反应堆中子源嬗变核废料装置主要有临界热中子反应堆、临界快中子反应堆、高通量反应堆等，但是这些装置主要是以发电为目的，从中子经济性和安全角度考虑，不适合核废料的嬗变。利用加速器中子源嬗变核废料的装置主要是加速器驱动次临界反应堆，利用聚变中子源嬗变核废料的装置主要是聚变裂变混合堆，这两种装置结构复杂，对各方面的技术要求很高，尚在研发阶段。
同位素中子源结构简单，利用同位素中子源嬗变核废料可以克服以上两种嬗变方式的不足：首先，同位素中子源嬗变核废料不以发电为目的，不用考虑中子经济性；另外，同位素中子源嬗变核废料不用复杂的核设施和辅助设施，辐照过程不用人为干预。理想的用于嬗变的同位素中子源应具有物理半衰期长，中子产额高的特点，比如252Cf就是一种理想的同位素中子源。目前国内外还没有用同位素中子源嬗变核废料的相关研究。
发明内容
本发明要解决技术问题为：本发明针对目前核废料嬗变系统技术的困难和不足，提供一种操作简单、运行安全以及环境友好的利用同位素中子源嬗变核废料的新系统。
本发明采用的技术方案为：一种利用同位素中子源嬗变核废料的系统，包括：核废料组件1、中子源组件2、液态介质3、换热器4、石墨反射层5、混凝土屏蔽层6以及换料机构7；核废料组件1和中子源组件2固定立在液态介质3中，为了使反应更充分，组件尺寸可尽量小；液态介质3用来冷却核废料组件1以及中子源组件2。换热器4有两个分别放置在液态介质3中的两侧以导出嬗变反应产生的热量以及核废料衰变产生的热量；石墨反射层5包围液态介质3以减少系统内中子的泄漏，同时起到一定的屏蔽作用；混凝土屏蔽层6包围石墨反射层5以起到屏蔽作用；换料机构7位于液态介质3上方，能够自由移动，以取出衰变到一定水平的同位素中子源组件和已经转化为稳定核素的核废料，以及添加新的同位素中子源组件和核废料组件。
更进一步的，所述的核废料组件1由MA制成柱形(包括圆柱、方柱、六边形柱及其他多边形柱体)，中子源组件2由同位素中子源制成柱形，液态介质3采用液态金属做冷却剂，同时保持快中子能谱从而有利于MA的嬗变。
更进一步的，所述的核废料组件1和中子源组件2的布置方式为任意相邻的三个组件呈三角状均匀分布在液态介质3中。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明采用的同位素中子源作为嬗变的中子源，整个过程完全自发进行，无须人为干预，没有复杂的辅助设施，系统简单。
2、本发明系统可以设计成在整个过程都运行在次临界状态下，具有很高的安全性。
3、本发明系统中没有外加核燃料，反应过程中没有新的核废料产生。特别当系统中子源采用医用、科研等废弃的同位素中子源时，可以达到“以废治废”的效果，具有很好的环保性能。
附图说明
图1为本发明中同位素中子源嬗变核废料的系统的主视图。
图2为本发明中同位素中子源嬗变核废料的系统的俯视图。
图中附图标记含义为：1为核废料组件，2为中子源组件，3为液态介质，4为换热器，5为石墨反射层，6为混凝土屏蔽层，7为换料机构。
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。
如图1所示，本发明包括：核废料组件1、中子源组件2、液态介质3、换热器4、石墨反射层5、混凝土屏蔽层6以及换料机构7。中子源组件2尽量采用产额高的同位素中子源，如Cf-252中子源等，当然医用、科研等废弃的同位素中子源也可以进行利用，以达到充分利用资源的目的。为了保证同位素中子源充分利用，中子源组件2制成线长的柱形。核废料组件1由MA制成，为了保证反应充分，将核废料组件1也制成线长的柱形。液态介质3的选用液态金属，主要考虑两方面原因：首先，液态金属可以有效的导出嬗变反应产生的热量以及核废料衰变产生的热量。另外，液态金属做冷却剂有利于维持快中子的速度，从而使得MA有更大的裂变截面，增加系统的嬗变性能。
如图2所示，核废料组件1与中子源组件2按照等间距的均匀排列方式，核废料组件1与中子源组件2依次排列，并且任意相邻的三个组件呈三角状分布。间距大小根据实际情况选取，保证系统处于次临界状态。
由于核废料组件1衰变过程中产生热量，同时嬗变过程也会产生热量，需要对系统进行热量导出，换热器4在液态介质3中进行降温，维持液态介质3在需要的温度下。石墨反射层5主要防止中子泄漏，同时起到一定的屏蔽作用。整个反应过程都具有一定的放射性，需要设置屏蔽层，混凝土屏蔽层6起到对整个系统的屏蔽作用。当反应进行到一定程度，比如核废料组件1已经嬗变完全，放射性活度低于一定要求，这时需要通过换料机构7换入新的核废料组件1。或者是同位素中子源组件2已经衰变完，这时需要新的中子源，就通过换料机构7换入新的中子源组件2，换料机构7能够在系统中自由移动。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域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)
1.一种利用同位素中子源嬗变核废料的系统，其特征在于：包括核废料组件(1)、中子源组件(2)、液态介质(3)、换热器(4)、石墨反射层(5)、混凝土屏蔽层(6)以及换料机构(7)；所述的核废料组件(1)和中子源组件(2)固定立在液态介质(3)中；所述的液态介质(3)用来冷却核废料组件(1)以及中子源组件(2)；所述的换热器(4)有两个分别放置在液态介质(3)中的两侧以导出嬗变反应产生的热量以及核废料衰变产生的热量；所述的石墨反射层(5)包围液态介质(3)以减少系统内中子的泄漏；所述的混凝土屏蔽层(6)包围石墨反射层(5)以起到屏蔽作用；所述的换料机构(7)位于液态介质(3)上方，能够自由移动以便于换料。
2.根据权利要求1所述的利用同位素中子源嬗变核废料的系统，其特征在于：所述的核废料组件(1)由次锕系(简称MA)制成柱形，所述柱形包括圆柱、方柱、六边形柱及其他多边形柱体，中子源组件(2)由同位素中子源制成柱形，液态介质(3)采用液态金属。
3.根据权利要求1或2所述的利用同位素中子源嬗变核废料的系统，其特征在于：核废料组件(1)和中子源组件(2)的布置方式为任意相邻的三个组件呈三角状均匀分布在液态介质(3)中。
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