CN108053910B - 一种溶液堆净堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种溶液堆净堆，功率为200kW，设置在堆容器外的堆芯为平底圆柱堆芯，堆芯芯体高径比为0.80～1.12，芯体直径为50～56cm；设置在堆容器内的燃料溶液为硝酸铀酰燃料溶液，其中硝酸铀酰浓度为40‑46gU/L，燃料溶液中235U富集度为50～90％。本发明通过对芯体和溶液燃料进行改进，能够将装载235U量降低到2.68～2.71Kg之间，大大降低了235U的装载量。

Description

一种溶液堆净堆
技术领域
本发明涉及核反应堆领域，具体涉及一种溶液堆净堆。
背景技术
随着核技术的发展，放射性同位素在工业、农业、医疗及科学研究等方面得到了广泛的应用。医用同位素在同位素应用中占据着重要的地位。近年来，新的同位素诊断和治疗制剂不断出现，对医用同位素的需求量也迅速扩大。为了及时、高效、稳定、较低成本的获得医用同位素，国内外尝试使用不同的反应堆或者辐照系统来进行医用同位素的生产。其中，溶液堆作为一种有潜力的堆型，可以用于方便地生产99Mo、89Sr、131I等多种核素，以满足日益增长的市场需要。
从上世纪40年代初到60年代，由于核能的迅速兴起，溶液堆的概念被提出。溶液堆是指使用易裂变燃料可溶盐的水溶液作为燃料的反应堆，与目前常见的固体燃料反应堆相比，慢化剂与燃料均匀混合是溶液堆较鲜明的特征。溶液堆内存在控制棒及冷却盘管等复杂结构，并且这些结构必须受到堆芯几何的限制，这将对全堆整体计算造成一定难度。
目前，医用同位素生产堆采用的燃料溶液为硝酸铀酰+轻水混合的水溶液，这种燃料溶液的缺陷在于：由于轻水对中子慢化的能力很强，堆芯很小，就已经达到了所需要的后备反应性，如果功率较高，则堆芯不能稳定运行，如果加大堆芯，则需要增加铀装量，还需增加吸收体以抑制后备反应性；若改为硝酸铀酰+重水，则由于重水对中子慢化的能力比轻水差，因而需要装大量的重水，造成堆芯体积太大，在提取同位素时，由于浓度低，吸附能力差，因而同位素产量低。
现有技术也有选择硝酸铀酰+重水+轻水作为燃料溶液的，如申请号为201110160629.9的专利公开了一种可减少堆芯铀装量的医用同位素生产堆，其采用浓度24～34g U/L的硝酸铀酰与体积为50～70％的重水和体积为30～50％的轻水混合的水溶液，堆芯反射层采用石墨做反射层。但是，该专利中采用的溶液铀浓度在对于减少堆芯铀装量而言是偏低的，采用石墨做反射层在减少铀装量及降低堆芯不均匀系数方面的效果没有铍做反射层明显，再有重水价格昂贵。
发明内容
本发明目的在于通过对燃料溶液和堆芯进行创新改进，提供一种既能够减少铀装载量，又能够降低溶液堆生产医用同位素过程产生的杂质，挺高提取率的溶液堆净堆。
本发明通过下述技术方案实现：
一种溶液堆净堆，功率为200kW，设置在堆容器外的堆芯为平底圆柱堆芯，堆芯芯体高径比为0.80～1.12，芯体直径为50～56cm；设置在堆容器内的燃料溶液为硝酸铀酰溶液，其中硝酸铀酰浓度为40-46gU/L，燃料溶液中235U富集度为50～90％。
硝酸铀酰浓度为42gU/L。
选择燃料溶液的体积为100～110L。
芯体直径为52～54cm。
采用铍做反射层，反射层厚度为25～30cm。
燃料溶液中235U富集度为90％。
堆芯芯体高径比为0.89～1.00。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过对芯体和溶液燃料进行改进，在不使用重水的前提下，能够将装载235U量降低到2.68～2.71Kg之间，大大降低了235U的装载量。
2、本发明将235U富集度设置成50～90％，表明高浓铀溶液产生相同医用同位素99Mo时杂质239Pu产量少，因此利用高浓铀溶液堆生产医用同位素过程产生杂质较少，提取率高。
3、本发明能够为后续溶液堆的进一步完整设计提供基础技术支撑。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为相同235U装载量条件下Keff随铀浓度的变化趋势。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
一种溶液堆净堆，功率为200kW，设置在堆容器外的堆芯为平底圆柱堆芯，堆芯芯体高径比为1，设置在堆容器内的燃料溶液为硝酸铀酰燃料，其中硝酸铀酰浓度为40-46gU/L，燃料溶液中235U富集度为50～90％。选择燃料溶液的体积为100～110L。
硝酸铀酰浓度为42gU/L。
芯体直径为50～56cm。
采用铍做反射层，反射层厚度为25～30cm。
燃料溶液中235U富集度为90％。
为进一步说明本发明的有益效果，进行溶液堆净堆设计如下：
溶液堆不同的堆芯高径比会对空泡反应性系数、功率分布及功率波动幅度产生影响。选择合适的芯体高径比会使溶液堆空泡反应性系数小、功率分布均匀；本文选取110L燃料溶液体积，对富集度为90％，对净堆不同芯体几何进行了研究计算。计算结果见表1。
表1 235U装载量相同情况下净堆不同芯体几何的Keff及235U临界装载量
注：“—”表示堆芯尚未临界
由表1可知，芯体直径约为52-53cm，Keff最大。堆芯芯体高径比H/D为0.80～1.12，芯体直径为50～56cm，相同铀装量下Keff较大，铀临界装载量较小。
为进一步说明，235U富集度对装载量的影响，取净堆芯体直径为54cm的平底圆柱堆芯为例，在燃料溶液体积110L，不同富集度(20％、35％、50％、60％、70％、80％和90％)的硝酸铀酰溶液进行了计算，得出相应的235U临界装载量，见表2。
表2 净堆不同富集度燃料溶液临界235U装量
235U临界装载量随着235U富集度增加而降低。据研究表明，随着富集度的增加，高浓铀溶液产生相同医用同位素99Mo时的杂质239Pu产量减少，利用高浓铀溶液堆生产医用同位素过程产生杂质较少，提取率高。
为进一步说明，铀浓度对U装载量的影响，本发明对芯体直径为54cm，富集度为90％，体积为110L的硝酸铀酰燃料，初始装载不同铀浓度的硝酸铀酰燃料溶液，得出的堆芯Keff随铀浓度变化趋势，见图1所示。
从图1中可以看出当硝酸铀酰的铀浓度在40-46gU/L附近时，Keff较大，42gU/L Keff最大，净堆的235U临界装载量最小，并且Keff变化趋势比较平缓。
为进一步说明反射层对铀装载量的影响，不同反射层不同厚度进行了计算，得出净堆的不均匀系数如下：
表3 采用铍反射层堆芯功率不均匀系数
表4 采用石墨反射层堆芯功率不均匀系数
表5 采用水反射层堆芯功率不均匀系数
由表3、4、5可知，具有水反射层的堆芯功率峰因子最大，其次是石墨，功率峰因子最小的是铍反射层的堆芯。并且石墨反射层堆芯和铍反射层堆芯随着反射层厚度的增加，相应功率峰因子逐渐降低。在厚度25-30cm之后，降低趋势变的缓慢。因此，考虑经济性选用25cm厚的铍作反射层。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种溶液堆净堆，功率为200kW，其特征在于，设置在堆容器内的堆芯为平底圆柱堆芯，堆芯芯体高径比为0.89～1.00，芯体直径为50～56cm；设置在堆容器内的燃料溶液为硝酸铀酰燃料溶液，其中硝酸铀酰浓度为40-46gU/L，燃料溶液中235U富集度为50～90％；采用铍做反射层，反射层厚度为25～30cm。
2.根据权利要求1所述的一种溶液堆净堆，其特征在于，硝酸铀酰浓度为42gU/L。
3.根据权利要求1所述的一种溶液堆净堆，其特征在于，芯体直径为52～54cm。
4.根据权利要求1所述的一种溶液堆净堆，其特征在于，燃料溶液中235U富集度为90％。
5.根据权利要求1所述的一种溶液堆净堆，其特征在于，堆芯体积为100～110L。
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