CN108550405A

CN108550405A - Mox燃料棒、mox燃料组件及展平轴向功率的方法

Info

Publication number: CN108550405A
Application number: CN201810244853.8A
Authority: CN
Inventors: 袁岑溪; 陈胜利
Original assignee: National Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University; National Sun Yat Sen University
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2018-09-18

Abstract

本发明涉及一种MOX燃料棒、MOX燃料组件及展平轴向功率的方法。所述MOX燃料棒包括掺杂燃料，所述掺杂燃料分布于MOX燃料棒的轴向中部，且所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。本发明将MOX燃料棒部分轴向中部的燃料设置为掺杂燃料，一方面，掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中被嬗变为短寿命或稳定的核素，从而减小乏燃料最终处理的成本与难度，解决乏燃料中的长寿命次锕系核素的处理问题；另一方面，利用掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中吸收中子被嬗变，可减弱掺杂燃料的裂变反应率，以降低MOX燃料棒中原本轴向功率与燃耗较高位置的功率与燃耗，从而达到展平MOX燃料棒的轴向功率、增强堆芯安全性和提高燃料利用率的效果。

Description

MOX燃料棒、MOX燃料组件及展平轴向功率的方法

技术领域

本发明涉及核工程技术领域，尤其涉及一种具有嬗变次锕系核素和展平轴向功率功能的MOX燃料棒和MOX燃料组件。

背景技术

随着我国经济的快速增长，对能源的需求大大增加，特别是在签署巴黎协议之后，发展绿色能源已成为重中之重。核能具有高效、清洁和稳定的特点，其符合我国的能源需求。近年来，我国压水堆核电站快速增长，但因此产生的乏燃料积累量也快速增加。这些乏燃料寿命长、放射毒性大，长期威胁人类的生存环境。

乏燃料处理问题，尤其是乏燃料中半衰期较长的次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴³Am、²⁴⁴Cm和²⁴⁵Cm的处理问题，是长期困扰人们并且存在大量争议的难题。面对这种严峻的局面，如何妥善处理、处置乏燃料，以确保子孙后代的环境安全和我国核能的可持续发展，是一个必须解决的重大问题。目前，国际上对乏燃料的处理主要有两种方案。一种是以美国为代表的开式循环方案，另一种是以欧盟为代表的闭式循环方案。开式循环方案即填埋，是将乏燃料经过几年冷却之后，再用玻璃或者混凝土包裹直接深埋在地下。但是乏燃料中含有较高的可裂变同位素，直接填埋无法充分利用这些可裂变资源；另外，由于乏燃料中部分次锕系元素的半衰期非常长，包裹乏燃料的容器是否能够承受足够长的时间也无定论。闭式循环方案，是将乏燃料中的铀和钚回收，再制成钚、铀混合的MOX燃料，然后置于反应堆中进行核反应。这既能减少乏燃料中的长寿命放射性产物，也能充分利用乏燃料中的铀和钚资源。

我国未来将要采取的乏燃料处理方案是闭式循环方案。闭式循环方案利用嬗变来处理乏燃料中的长寿命次锕系核素。嬗变是指将长寿命高放核素在中子场中进行中子照射，长寿命高放核素发生裂变、俘获等核反应后被转化成其他短寿命或稳定的核素，从而消除长寿命放射性核素对生态环境的危害。

闭式循环方案常用的是MOX燃料，它是由PuO₂(氧化钚)与UO₂(氧化铀)混合而成，其作用是发生裂变以提供能量。闭式循环中的PuO₂(氧化钚)通常由燃烧过的UO₂燃料中提取出来。

当前，闭式循环方案中可提供中子源的嬗变设施包括热中子堆、快中子堆、和加速器驱动的次临界装置(ADS)及其它中子源等。其中技术最成熟、在运行最多的堆型是热中子堆中的压水堆，因此开展压水堆嬗变技术的研究具有重要意义。结合闭式循环的策略，现在主要考虑的方案为在氧化铀燃料压水堆中均匀添加长寿命次锕系核素。而MOX燃料为乏燃料的后处理产品，掺杂长寿命次锕系核素更为容易。

发明人在之前的研究中，将MOX燃料组件径向上的部分燃料棒替换为掺杂长寿命次锕系核素的燃料棒，从而降低MOX燃料组件中导向管周围原本较高的功率，达到展平功率的效果。但是，该研究仅针对MOX燃料组件整体的径向上的功率进行展平，并未具体涉及如何对单根燃料棒的轴向功率进行展平。然而，由于单根燃料棒的轴向功率不均匀，会导致反应堆功率不均匀，从而降低燃料棒两端燃料的燃耗，影响反应堆运行的效率。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，克服现有技术中的缺点和不足，提供一种MOX燃料棒，其具有嬗变次锕系核素和展平轴向功率的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种MOX燃料棒，包括掺杂燃料，所述掺杂燃料分布于MOX燃料棒的轴向中部，且所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。

相对于现有技术，本发明的MOX燃料棒将部分轴向上的燃料设置为掺杂燃料，一方面，掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中被嬗变为短寿命或稳定的核素，从而减小乏燃料最终处理的成本与难度，解决乏燃料中的长寿命次锕系核素的处理问题；另一方面，利用掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中吸收中子被嬗变，可减弱掺杂燃料的裂变反应率，以降低MOX燃料棒中原本轴向功率与燃耗较高位置的功率与燃耗，从而达到展平MOX燃料棒的轴向功率、增强堆芯安全性和提高燃料利用率的效果。

进一步地，所述掺杂燃料以MOX燃料棒的中心为中心轴向对称分布。掺杂燃料轴向对称分布，更有利于整体上展平MOX燃料棒的功率。

进一步地，所述掺杂燃料在MOX燃料棒的轴向连续分布或间隔分布。优选地，将所述MOX燃料棒自上而下平均分为9段，所述掺杂燃料分布于第5段，或间隔分布于第4和第6段，或间隔分布于第3、5和7段。

进一步地，所述掺杂燃料在MOX燃料棒中的轴向所占比例为10％～35％。MOX燃料棒轴向包含适当比例的掺杂燃料，既有利于MOX燃料棒的轴向功率展平，又有利于长寿命次锕系核素的高效嬗变。

进一步地，所述掺杂燃料为只掺杂长寿命次锕系核素²³⁷Np的燃料；所述长寿命次锕系核素²³⁷Np占所述掺杂燃料的质量百分比为0.2％～2％。若掺杂²³⁷Np的浓度太低，则不能达到减弱燃料裂变反应率的效果，且处理乏燃料中的长寿命次锕系核素效率低；若掺杂²³⁷Np的浓度太高，则掺杂燃料的裂变反应率过低，影响反应堆正常运行；掺杂质量百分比为0.2％～2％的²³⁷Np，能适当减弱燃料的裂变反应率，有利于展平MOX燃料棒功率。

进一步地，所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am和²⁴³Am的燃料；所述长寿命次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am和²⁴³Am三者之和占所述掺杂燃料的质量百分比为0.2％～2％。掺杂总质量百分比为0.2％～2％的²³⁷Np、²⁴¹Am和²⁴³Am，能适当减弱燃料的裂变反应率，有利于展平MOX燃料棒功率。优选地，所述掺杂燃料中，掺杂的长寿命次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am和²⁴³Am三者之间的质量比为m₍237_Np)：m₍241_Am)：m₍243_Am)＝43：48：9。该核素种类和比例，是1000MW电功率反应堆燃耗达到33MWd/kg时卸料冷却10年后乏燃料中长寿命次锕系核素的情形，这有利于统一嬗变反应堆的乏燃料中这三种长寿命次锕系核素。

进一步地，所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴³Am、²⁴⁴Cm和²⁴⁵Cm的燃料；所述长寿命次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴³Am、²⁴⁴Cm和²⁴⁵Cm五者之和占所述掺杂燃料的质量百分比为0.2％～2％。掺杂总质量百分比为0.2％～2％的²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴³Am、²⁴⁴Cm和²⁴⁵Cm，能适当减弱燃料的裂变反应率，有利于展平MOX燃料棒功率。优选地，所述掺杂燃料中，掺杂的长寿命次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴³Am、²⁴⁴Cm和²⁴⁵Cm五者之间的质量比为m₍237_Np)：m₍241_Am)：m₍243_Am)：m₍244_Cm)：m₍245_Cm)＝42：47：9：2：0.1。该核素种类和比例，是1000MW电功率反应堆燃耗达到33MWd/kg时卸料冷却10年后乏燃料中长寿命次锕系核素的情形，这有利于统一嬗变反应堆的乏燃料中这五种次锕系核素。

本发明还提供了一种展平MOX燃料棒轴向功率的方法，将MOX燃料棒中轴向高功率位置的燃料设置为掺杂燃料；所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。

相对于现有技术，本发明所述的展平MOX燃料棒轴向功率的方法，利用掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中被嬗变，来减弱掺杂燃料的裂变反应率，以降低MOX燃料棒中原本轴向功率较高位置的功率，从而达到展平MOX燃料棒的轴向功率、增强堆芯安全性和提高燃料利用率的效果。

进一步地，所述掺杂燃料的位置以MOX燃料棒的中心为中心轴向对称分布。

本发明还提供了一种用于嬗变的MOX燃料组件，包括MOX燃料棒和导向管，所述导向管和MOX燃料棒构成阵列；所述MOX燃料棒为前面所述的MOX燃料棒。

相对于现有技术，本发明的MOX燃料组件由具有嬗变和展平轴向功率功能的MOX燃料棒组成，实现整体MOX燃料组件的轴向功率均匀展平，进一步增强堆芯安全性和提高燃料利用率。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1为实施例1的MOX燃料棒的掺杂燃料位置示意图。

图2为实施例2的MOX燃料棒的掺杂燃料位置示意图。

图3为实施例3的MOX燃料棒的掺杂燃料位置示意图。

具体实施方式

本发明的MOX燃料棒，包括掺杂燃料，所述掺杂燃料分布于MOX燃料棒的轴向中部，且所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。

由于位于燃料棒轴向中部的中子通量(中子通量是描述单位时间和面积内中子数量多少的物理量)较高，从而使位于MOX燃料棒轴向中部的燃料的功率较高，导致燃料棒功率的不均匀。因此将MOX燃料棒中原本轴向功率较高部位的燃料替换为掺杂燃料，利用掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中吸收中子被嬗变，来减弱掺杂燃料的裂变反应率，以降低MOX燃料棒中原本轴向功率较高部位的功率，从而达到展平MOX燃料棒的功率、增强堆芯安全性和提高燃料利用率的效果。

所述掺杂燃料在MOX燃料棒中的轴向所占比例为10％～35％。如果掺杂燃料的比例太少，则要达到同样的嬗变长寿命次锕系核素效率，须对掺杂燃料进行高浓度长寿命次锕系核素掺杂，进而导致掺杂燃料的裂变反应率过低，影响反应堆的正常运行；同时也会因为掺杂燃料裂变反应率低于原MOX燃料中最低裂变反应率，导致无法展平功率甚至增大功率分布的不均匀性；掺杂燃料的比例太多，则相当于所有燃料均为掺杂燃料，导致掺杂燃料不能起展平MOX燃料棒功率的作用。

所述掺杂燃料中，掺入的总长寿命次锕系核素占所述掺杂燃料的质量百分比为0.5％～2％。如果长寿命次锕系核素掺杂太低，则不能达到减弱燃料裂变反应率的效果，且处理长寿命次锕系核素的效率低；如果长寿命次锕系核素掺杂太高，则掺杂燃料裂变反应率过低，影响反应堆正常运行。具体的，所述掺杂燃料的掺杂方式可以为：

(1)只掺杂长寿命次锕系核素²³⁷Np。

(2)掺杂²³⁷Np、²⁴¹Am和²⁴³Am，三者之间的质量比为m₍237_Np)：m₍241_Am)：m₍243_Am)＝43：48：9。该核素种类和比例，是1000MW电功率反应堆燃耗达到33MWd/kg时卸料冷却10年后乏燃料中长寿命次锕系核素的情形，这样掺杂可以降低乏燃料后处理的难度，如考虑其他功率的反应堆在其他燃耗时产生的乏燃料，此比例亦可改动。

(3)掺杂²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴³Am、²⁴⁴Cm和²⁴⁵Cm，五者之间的质量比为m₍237_Np)：m₍241_Am)：m₍243_Am)：m₍244_Cm)：m₍245_Cm)＝42：47：9：2：0.1。该核素种类和比例，是1000MW电功率反应堆燃耗达到33MWd/kg时卸料冷却10年后乏燃料中次锕系核素的情形(²⁴⁴Cm的半衰期为18年，不是长寿命核素，这里被一起考虑是因为单独使其分离增加成本)，这样掺杂可以降低乏燃料后处理的难度，如考虑其他功率的反应堆在其他燃耗时产生的乏燃料，此比例亦可改动。

所述掺杂燃料轴向对称分布，有利于整体上展平MOX燃料棒的功率。具体的，所述掺杂燃料以MOX燃料棒的中心为中心轴向对称分布，可以是连续分布或间隔分布，优选等间距间隔分布。以下通过3个实施例具体说明MOX燃料棒的掺杂燃料分布情况。

实施例1

请参阅图1，其为本实施例的MOX燃料棒的掺杂燃料位置示意图。本实施例中，所述MOX燃料棒包含了九分之一轴向掺杂燃料，具体的，所述MOX燃料棒自上而下平均分为9段，所述掺杂燃料B分布于第5段，位于MOX燃料棒轴向中部，其余段为正常燃料A。根据实际慢化剂温度的分布，掺杂位置应该偏下一些。

实施例2

请参阅图2，其为本实施例的MOX燃料棒的掺杂燃料位置示意图。本实施例中，所述MOX燃料棒包含了九分之二轴向掺杂燃料，具体的，所述MOX燃料棒自上而下平均分为9段，所述掺杂燃料B分布于第4和第6段，以MOX燃料棒的中心为中心轴向对称分布，其余段为正常燃料A。根据实际慢化剂温度的分布，掺杂位置应该偏下一些。

实施例3

请参阅图3，其为本实施例的MOX燃料棒的掺杂燃料位置示意图。本实施例中，所述MOX燃料棒包含了九分之三轴向掺杂燃料，具体的，所述MOX燃料棒自上而下平均分为9段，所述掺杂燃料B分布于第3、5和7段，以MOX燃料棒的中心为中心轴向对称分布，其余段为正常燃料A。根据实际慢化剂温度的分布，掺杂位置应该偏下一些。

通过实施例1～3所示的掺杂方式，将原本MOX燃料棒中轴向高功率位置的燃料设置为掺杂燃料，从而展平MOX燃料棒的轴向功率。掺杂后的MOX燃料棒可组成MOX燃料组件，具体的，掺杂后的MOX燃料棒可与导向管阵列排布，形成用于嬗变的MOX燃料组件，并实现整体MOX燃料组件的轴向功率均匀展平。

需指出的是，除了实施例1～3的掺杂方式外，其他掺杂燃料的比例在10％～35％之间，且掺杂后掺杂燃料相对于燃料棒中心对称(根据实际慢化剂温度的变化，掺杂燃料可以偏下一些)，同样能起到展平MOX燃料棒功率的作用。

以下以实施例3的MOX燃料棒为例，说明本发明的技术效果。请参阅表1，其为现有MOX燃料棒和实施例3的两种MOX燃料棒(例1和例2)的功率分布计算结果。其中，例1的MOX燃料棒中：正常燃料和掺杂燃料的钚含量均为9.8％，所述掺杂燃料为掺入质量百分比为0.3％的²³⁷Np的燃料；例2的MOX燃料棒中：正常燃料和掺杂燃料的钚含量均为9.8％，所述掺杂燃料为掺入质量百分比为1％的长寿命次锕系核素的燃料，所述掺入的长寿命次锕系核素的种类和质量比例为m₍237_Np)：m₍241_Am)：m₍243_Am)：m₍244_Cm)：m₍245_Cm)＝42：47：9：2：0.1。

表1MOX燃料棒的功率分布计算结果

计算结果表明，在寿期初，即燃耗(燃耗是衡量核燃料中单位质量重金属总能量的释放量)为0MWd/kg时，本发明燃料棒(正常燃料和掺杂燃料)功率的方差、功率的最大值与最小值之比都小于现有MOX燃料棒的相应结果。在寿期末，即燃耗为50MWd/kg时，本发明燃料棒的所有燃料燃耗方差与现有MOX燃料的相应结果无太大差别，最大值与最小值之比比现有MOX燃料小。由此可见，在寿期初，本发明的MOX燃料棒功率分布比现有燃料棒更平滑。在反应堆中，处于寿期初的燃料棒功率明显高于寿期中与寿期末的燃料棒。因此本发明的MOX燃料棒可以增加堆芯安全性。

另外，对实施例3的两种MOX燃料棒(例1和例2)中的长寿命次锕系核素的嬗变率进行计算。在平均燃耗50MWd/kg时，例1中²³⁷Np的纯嬗变率为35％，若考虑不掺杂时MOX燃料本身生成的长寿命次锕系核素，则其总嬗变率达到55％。例2中的长寿命次锕系核素的嬗变率计算结果列于表2中。

表2例2中的长寿命次锕系核素的嬗变率计算结果

	²³⁷Np	²⁴¹Am	²⁴³Am
				纯嬗变率	35％	30％	-125％
总嬗变率	40％	57％	48％

由此可见，本发明将MOX燃料棒轴向中部的燃料替换为掺杂燃料，掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中被嬗变为短寿命或稳定的核素，从而减小乏燃料最终处理的成本与难度，能解决乏燃料中的长寿命次锕系核素的处理问题。另外，利用掺杂燃料中的长寿命次锕系核素在中子场中吸收中子被嬗变，可减弱掺杂燃料的裂变反应率，以降低MOX燃料棒中原本较高的功率，从而达到展平MOX燃料棒的轴向功率、增强堆芯安全性和提高燃料利用率的效果。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种MOX燃料棒，其特征在于：包括掺杂燃料，所述掺杂燃料分布于MOX燃料棒的轴向中部，且所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。

2.根据权利要求1所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料以MOX燃料棒的中心为中心轴向对称分布。

3.根据权利要求2所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料在MOX燃料棒的轴向连续分布或间隔分布。

4.根据权利要求2所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料在MOX燃料棒中的轴向所占比例为10％～35％。

5.根据权利要求4所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料为只掺杂长寿命次锕系核素²³⁷Np的燃料；所述长寿命次锕系核素²³⁷Np占所述掺杂燃料的质量百分比为0.2％～2％。

6.根据权利要求4所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am和²⁴³Am的燃料；所述长寿命次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am和²⁴³Am三者之和占所述掺杂燃料的质量百分比为0.2％～2％。

7.根据权利要求4所述的MOX燃料棒，其特征在于：所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴³Am、²⁴⁴Cm和²⁴⁵Cm的燃料；所述长寿命次锕系核素²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴³Am、²⁴⁴Cm和²⁴⁵Cm五者之和占所述掺杂燃料的质量百分比为0.2％～2％。

8.一种展平MOX燃料棒轴向功率的方法，其特征在于：将MOX燃料棒中轴向高功率位置的燃料设置为掺杂燃料；所述掺杂燃料为掺杂长寿命次锕系核素的燃料。

9.根据权利要求8所述展平MOX燃料棒轴向功率的方法，其特征在于：所述掺杂燃料的位置以MOX燃料棒的中心为中心轴向对称分布。

10.一种用于嬗变的MOX燃料组件，其特征在于：包括MOX燃料棒和导向管，所述导向管和MOX燃料棒构成阵列；所述MOX燃料棒为权利要求1～7任一所述的MOX燃料棒。