CN112599259B - 一种聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件 - Google Patents

一种聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种聚变‑裂变混合堆嬗变燃料组件，包括沿厚度方向依次设置的多层结构，每层结构包括沿高度方向布置的若干个栅格单元，每个栅格单元的燃料中设有水平贯穿的冷却管，冷却管的延伸方向与燃料组件的厚度方向相垂直，冷却管内设有可流动的冷却剂，其中，所述栅格单元的燃料采用含有Pu、MA核素的贫铀MOX锆合金作为嬗变燃料。本发明通过合理配制燃料组分和慢化剂/冷却剂，在满足次临界能源堆芯的能量放大、氚增殖比要求的情况下，实现有效MA核素嬗变的功能。

Description

一种聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件
技术领域
本发明属于核电设计技术，具体涉及一种针对聚变中子源驱动的聚变-裂变混合堆芯的嬗变燃料组件的设计。
背景技术
随着核能成为当前能源增长的重要组成部分，其可持续发展不可避免的面临着核废料处置的难题，特别是其中一些长寿命高放核废料的处置问题。核电站卸出乏燃料的远期风险决定于这些长寿命高放核废料，部分核素要衰变十几万年之后，其放射毒性才能降到天然铀矿的水平。即便是采用地质深埋的处置方式，也因地质稳定性难以保证带来了较大的隐患。
为了实现核废物最少化，早在20世纪60年代国际上就提出了分离和嬗变(P&T)的先进核燃料循环概念，即将长寿命次锕系核素和长寿命裂变产物从高放废液中分离出来，然后再进行嬗变，即利用中子引起的核反应，使其变为非放射性或短寿命的核素。自提出以来，分离与嬗变逐渐成为国际研究的热点。
对长寿命次锕系核素，如Np、Am、Cm的同位素(一般称Np、Am、Cm为MinorActinides，简称MA)，即便使其发生(n,γ)或(n,2n)反应，生成的新核素往往又会衰变生成半衰期很长的子核素。因此，使MA有效嬗变的方法是使其发生裂变，裂变产物中大部分为半衰期较短的核素。在进行嬗变系统设计时，需要较硬的中子能谱以增大MA的裂变截面和裂变俘获比，来增大嬗变能力。由于聚变反应所释放的中子能量为14.1Mev，远大于由于裂变反应所释放出的中子的能量，因而能得到一个很硬的能谱，因此聚变驱动的次临界系统有很好的嬗变长寿命的锕系核素的潜能。
中国合肥等离子体所研究的双冷嬗变包层采用相对于ITER较低的聚变参数，采用PbLi作为嬗变燃料区的冷却剂，也作为氚增殖剂，燃料采用碳化物的形式，其它区域采用He作为冷却剂，由于其需要两个冷却剂的驱动系统，结构较为复杂。
美国佐治亚理工学院提出了三种不同冷却剂(PbLi、He和Na)的快中子谱次临界嬗变堆，美国SNL(Sandia National Laboratories)提出的以液态金属作为燃料的嬗变堆芯以液态金属(金属燃料被溶解在(LiF)2-AnF3溶液里)作为燃料的嬗变堆，嬗变包层均为圆柱模型。核工业西南物理研究院也开展了球形环托卡马克堆嬗变中子学设计，采用了MA溶于氟锂铍熔盐的燃料形式。由于熔盐燃料腐蚀性大，燃料的净化提纯难度大。
西安交通大学研究了一种嬗变次锕系核素的聚变驱动次临界包层，嬗变燃料组件燃料类型为60(MA-Pu)-40Zr金属合金(MA和Pu的比例为1.5)，燃料棒按六角形排布，选用Na为冷却剂，燃料棒和冷却剂的体积比为1.06。该设计采用了Na冷却的金属合金燃料形式，获得一个比较硬的能谱，有利于MA核素通过裂变反应进行直接有效的嬗变。但为平衡Na冷却造成系统次临界程度较深的问题，燃料中的Pu的质量分数达到了26.9％，初始钚装量大。
中国核电工程有限公司曾提出过一种先进的聚变-裂变次临界能源堆堆芯燃料组件设计方案(中国专利201310484362.8)，该设计为沿厚度方向依次设置的多层结构，每层结构布置若干个设有铀-锆合金燃料的栅格单元，每个栅格单元的铀-锆合金燃料中设有水平贯穿的冷却管，冷却管内设有可流动的冷却剂；采用天然铀锆合金作为裂变燃料，冷却管在燃料中呈正三角形排列，其布置方式能够保证燃料冷却；燃料组件具有合适的铀水体积比，能够使堆芯具有足够的能量放大倍数。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件的设计方案，通过合理配制燃料组分和慢化剂/冷却剂，在满足次临界能源堆芯的能量放大、氚增殖比要求的情况下，实现有效MA核素嬗变的功能。
本发明的技术方案如下：一种聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，包括沿厚度方向依次设置的多层结构，每层结构包括沿高度方向布置的若干个栅格单元，每个栅格单元的燃料中设有水平贯穿的冷却管，冷却管的延伸方向与燃料组件的厚度方向相垂直，冷却管内设有可流动的冷却剂，其中，所述栅格单元的燃料采用含有Pu、MA核素的贫铀MOX锆合金作为嬗变燃料。
进一步，如上所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其中，所述贫铀MOX锆合金嬗变燃料中Pu的质量百分含量为1％-5％，MA核素的质量百分含量为3％-11％。
作为一种优选的实施方案，贫铀MOX锆合金嬗变燃料中Pu的质量百分含量为2％，MA核素的质量百分含量为7％。
进一步，如上所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其中，燃料组件中彼此相邻的三根冷却管的截面呈正三角形排列。
进一步，如上所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其中，所述的冷却管为圆筒形锆合金承压管，冷却剂为轻水；冷却管的内壁半径为0.5cm-1.0cm，壁厚0.13cm-0.25cm。
进一步，如上所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其中，在燃料组件外设有锆包壳，锆包壳与燃料组件之间留有一定空间用于包容裂变气体，所述锆包壳的厚度为0.1cm-0.8cm。
进一步，如上所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其中，沿厚度方向依次设置6层结构，每层结构包括沿高度方向布置的41或42个栅格单元。
进一步，如上所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其中，燃料组件的厚度为12cm-18cm，高度为85cm-125cm。
进一步，如上所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其中，燃料组件的铀水体积比为1.5-2.5。
本发明的有益效果如下：本发明所提供的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，采用轻水作为冷却剂，有效平衡了MA核素嬗变与中子增殖效应，通过三角形布置的冷却剂通道方式考虑了冷却剂水承压的问题，同时也满足热工水力安全性的要求。本发明所设计的燃料组件仅需装载1％-5％的Pu就能达到较好的嬗变效果，此外，采用该燃料组件的混合堆芯功率放大倍数和氚增殖比也能满足产能和自持的需要，堆芯增殖性能良好。因此，本发明是一种先进的、具有工程可行性的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件方案设计。
附图说明
图1为本发明具体实施例中燃料组件的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中燃料组件组成的堆芯性能随燃耗的变化曲线图；
图3为本发明具体实施例中燃料组件组成的堆芯Pu和主要MA核素总量随运行时间的变化曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本实施例提供的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件包括沿厚度方向依次设置的六层结构，每层结构包括沿高度方向布置的若干个设有嬗变燃料1的栅格单元，可以采用Pu的质量百分含量为1％-5％、MA核素的质量百分含量为3％-11％的贫铀MOX锆合金作为嬗变燃料，贫铀MOX锆合金是指铀锆合金里面的铀组分用贫铀和钚组成的贫铀混合燃料(MOX)替换。作为一种优选的实施例，贫铀MOX锆合金嬗变燃料中Pu的质量百分含量为2％，MA核素的质量百分含量为7％。每个栅格单元的嬗变燃料1中设有水平贯穿的冷却管2，冷却管2的延伸方向与燃料组件的厚度方向相垂直，冷却管2内设有可流动的冷却剂3，彼此相邻的三根冷却管21、22、23的截面呈正三角形排列，在燃料组件外设有锆包壳4。
该实施例中聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件冷却管2为圆筒形锆合金承压管，冷却剂采用轻水；冷却管2的内壁半径为0.5cm-1.0cm，壁厚0.13cm-0.25cm。锆包壳4的厚度为0.1cm-0.8cm。
燃料组件每层结构包括沿高度方向布置的41或42个栅格单元。燃料组件的厚度为12cm-18cm，高度为85cm-125cm。燃料组件中燃料与水的体积比为1.5-2.5。
表1给出了聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件的参数表。
表1
燃料组件放置于聚变堆芯第一壁后面的包层中，聚变产生的高能中子进入燃料区，在该区域嬗变MA核素、诱发材料裂变，产生的裂变中子进一步被慢化后继续链式裂变反应，从最后一层泄露出的中子进入产氚包层进行产氚反应。
铀水体积比是经过反复优化的设计结果。该铀水比的选取能够使得堆芯能量放大倍数满足设计要求，并使得有足够多的中子泄露到产氚组件中去，而且该布置下的燃料能谱能够使得有足够多的238U转换成易裂变核素239Pu，转换速度能够大于235U的消耗速度，这样，在相当长的时间内，燃料组件内的易裂变核素处于增长的状态中，其反应性及能量放大倍数都能在较长时间内维持增长。
作为一种优选实施例，燃料组件中采用含Pu2％、MA7％的贫铀MOX锆合金也是经过反复优化的设计结果。较少量的MA核素添加会使M和TBR有一定减少，因此要想装载较多的MA核素，需同步提高燃料中钚的含量。只有在MA核素含量较大时，如超过7％，M的数值才有一定回升，但TBR的数值仍是减少的。根据初步分析结果，含Pu2％、MA7％的贫铀MOX锆合金是满足M和TBR要求的堆芯初始装载方案。
初始钚含量的增加对MA的嬗变效果及Pu增殖效果均有不利影响，在满足M和TBR要求的情况下，应尽可能减少钚含量。
通过分析不同密度的水作为冷却剂，并对比Na作为冷却剂的情形，随着慢化水平减低，MA平均嬗变率、SR值以及Pu增殖效果均减少。但慢化能力增加过多，会导致TBR减小，即中子过多的在裂变包层中被慢化和引发裂变等反应，到达产氚包层中的中子数目不够；同理，慢化水平降低虽能使MA核素的裂变可能性增大，但由于中子增殖性能不够，过多的中子达到了产氚包层(TBR升高)，总体的嬗变率反而降低。
通过对钚含量、慢化水平对MA核素嬗变率、M、TBR以及堆芯增殖能力的详细分析、比较、优化，最终选用的含Pu2％、MA7％的贫铀MOX锆合金燃料实现了有效MA核素嬗变的同时满足次临界能源堆芯的能量放大、氚增殖比要求。
图2给出了该种燃料组件在堆芯中燃耗时堆芯性能指标随时间的变化趋势。图3给出了该种燃料组件组成的堆芯Pu和主要MA核素总量随运行时间的变化。从结果可以看出，堆芯在5年的运行期内，MA核素的平均嬗变率达到10％以上，SR值达到了26以上，即每个该类型的嬗变堆芯，每年可嬗变的MA核素总量，可至少支持26座同等百万千瓦电功率的压水堆所产生的MA核素总量。堆芯功率放大倍数大于6.4，氚增殖比大于1.05，能满足百万兆瓦电功率产能要求和聚变堆芯自持运行的需要，钚的燃料增殖能力达到了1.62吨/年。该堆芯装载方案在堆芯产能、燃料增殖、MA嬗变、氚增殖四方面达到了很好的的平衡，具有很好的发展前景。
综上所述，本发明的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件方案设计实现了有效MA核素嬗变的同时满足次临界能源堆芯的能量放大、氚增殖比要求的一种先进的、具有工程可行性的燃料组件设计。
对于本领域技术人员而言，显然本发明方法不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明方法。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明方法的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明方法内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，包括沿厚度方向依次设置的多层结构，每层结构包括沿高度方向布置的若干个栅格单元，每个栅格单元的燃料（1）中设有水平贯穿的冷却管（2），冷却管（2）的延伸方向与燃料组件的厚度方向相垂直，燃料组件中彼此相邻的三根冷却管的截面呈正三角形排列，冷却管（2）内设有可流动的冷却剂（3），冷却剂为轻水，在燃料组件外设有锆包壳（4），其特征在于，所述栅格单元的燃料（1）采用含有Pu、MA核素的贫铀MOX锆合金嬗变燃料，所述贫铀MOX锆合金嬗变燃料中Pu的质量百分含量为1%-5%，MA核素的质量百分含量为3%-11%。
2.如权利要求1所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其特征在于：所述贫铀MOX锆合金嬗变燃料中Pu的质量百分含量为2%，MA核素的质量百分含量为7%。
3.如权利要求1或2所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其特征在于：所述的冷却管为圆筒形锆合金承压管；冷却管的内壁半径为0.5cm-1.0cm，壁厚0.13cm-0.25cm。
4.如权利要求1或2所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其特征在于：锆包壳与燃料组件之间留有一定空间用于包容裂变气体。
5.如权利要求4所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其特征在于：所述锆包壳（4）的厚度为0.1cm-0.8cm。
6.如权利要求1所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其特征在于：燃料组件沿厚度方向依次设置6层结构，每层结构包括沿高度方向布置的41或42个栅格单元。
7.如权利要求1所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其特征在于：燃料组件的厚度为12cm-18cm，高度为85cm-125cm。
8.如权利要求1所述的聚变-裂变混合堆嬗变燃料组件，其特征在于：燃料组件的铀水体积比为1.5-2.5。
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