CN113488204A - 一种用于快中子堆的套管式ma嬗变棒 - Google Patents

一种用于快中子堆的套管式ma嬗变棒 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，包括：中心层，其外部至少环绕设置有一层外层；所述中心层为MA核素管，所述外层为6LiD核素管；或者所述中心层为MOX核素管，所述外层为MA核素管和/或6LiD核素管。本发明提供的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，创新性地将热快中子转换材料6LiD加入到MA嬗变棒的结构设计中，本发明提出了三种方案的嬗变棒的基本结构：①6LiD/MA套管式嬗变棒；②6LiD/MA/MOX套管式嬗变棒；③MA/MOX套管式嬗变棒，并且对每种方案中的6LiD、MA以及MOX燃料的管壁厚度不断优化，提出了一种新的处置MA核素的嬗变棒结构，提升了含有MA核素嬗变棒的嬗变率。

Description

一种用于快中子堆的套管式MA嬗变棒
技术领域
本发明属于核反应堆组件技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于快中子堆的套管式MA嬗变棒。
背景技术
核能在利用过程中产生的次锕系核素(Minor Actinides，简称MA核素)半衰期长达数百万年，是高放废物的主要来源，对人类生存环境影响极大，如何妥善处理MA核素是世界各国研究关注的重点。当前，分离-嬗变是国际上普遍认可的处理长寿命高放废物的方法，快中子堆是嬗变高放废物最理想的堆型，因此研究MA核素在快堆中的嬗变性能对处理高放废物意义重大。
放射性废物按照放射性水平高低可分为低、中、高放废物，按照半衰期时间长短可分为短、中、长寿命废物。核电站所产生的高放废物主要是指反应堆经过换料之后卸出的乏燃料以及乏燃料经过一系列处理提取剩余的U和Pu后形成的放射性废物。放射性废物与其他工业化活动产生的废物不一样，如果不进行人为处置的话，这些废物只能通过自身的放射性衰变来实现无害化。在这些高放废物中存在的MA核素，绝大多数是剧毒重金属和危险品，与其他放射性废物有所不同的是，虽然在放射性废物中占比很少，但MA核素具有很长的半衰期和很高的放射性水平，如其中的237Np核素的半衰期能够达到214万年的时间，这些长寿命高放废物的存在无疑会对社会和环境带来极大的威胁。
若想大力发展核电，改变全球的能源环境，就必须设法解决这些长半衰期、强放射性水平的MA核素的处理处置问题，使其对社会和环境构成的威胁降到最小。到目前为止，对于核电站卸料之后产生的乏燃料后处理方式主要是开式循环和闭式循环两种。
主要MA核素的裂变反应与238U一样是阈能反应，阈值在0.1MeV～1MeV之间，而且MA核素在高能区的裂变截面要比238U大，裂变性能好。对于有效裂变中子数来说，与裂变截面密切相关，其曲线同样是阈值曲线，并且MA核素的裂变效果优于238U(阈值比238U低，有效裂变中子数更大)。而对于俘获截面来说，在中低能区，主要MA核素的俘获截面大于238U。由于MA核素在微观裂变截面和俘获截面上的特点，给人们提供了一种新的处理该长寿命高放废物的思路，即分离嬗变技术。
目前，在快堆堆芯中布置MA的方式主要有两种：均匀布置与非均匀布置。虽然目前国内外的专家学者对在钠冷快堆中嬗变MA核素做了很多研究工作，并且取得不少颇有成效的研究成果。但是通过文献调研之后，发现堆芯采用非均匀布置时，MA嬗变组件中嬗变棒的结构设计较单一，主要是将MA核素直接制作成与燃料组件尺寸大小一致的嬗变棒，并且发现6LiD这种材料能够将低能热中子转换为14MeV左右的高能快中子，具体过程为热中子与6Li发生反应产生足够能量的氚核(T)，进而T与氘核(D)或6Li发生聚变反应释放出高能快中子。因此，为了提高MA核素的嬗变性能，需要对MA嬗变组件的结构进行改进。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，包括：
中心层，其外部至少环绕设置有一层外层；
所述中心层为MA核素管，所述外层为6LiD核素管；或者所述中心层为MOX核素管，所述外层为MA核素管和/或6LiD核素管。
优选的是，所述中心层为MA核素管，所述外层为单层结构的6LiD核素管。
优选的是，其中，所述中心层为MOX核素管，所述外层包括第一外层和环绕设置在第一外层外部的第二外层，所述第一外层为MA核素管，所述第二外层为6LiD核素管。
优选的是，其中，所述中心层为MOX核素管，所述外层为单层结构的MA核素管。
优选的是，其中，所述中心层为MA核素管，所述外层为单层结构的空气层。
优选的是，其中，所述MA核素管的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％；
所述MOX核素管的组成核素包括238U、235U、238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu，其中，238U、235U的比例为0.003：1，238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu的比例为0.009：0.615:0.220：0.29750.119：0.041。
优选的是，其中，所述6LiD核素管的厚度为1mm，所述MA核素管的厚度为4mm；
所述6LiD核素管的厚度为2mm，所述MA核素管的厚度为3mm；
所述6LiD核素管的厚度为3mm，所述MA核素管的厚度为2mm。
优选的是，其中，所述6LiD核素管的厚度为0.5mm，所述MA核素管的厚度为3mm，所述MOX核素管的厚度为1.5mm；
所述6LiD核素管的厚度为1mm，所述MA核素管的厚度为3mm，所述MOX核素管的厚度为1mm；
所述6LiD核素管的厚度为1.5mm，所述MA核素管的厚度为3mm，所述MOX核素管的厚度为0.5mm。
优选的是，其中，所述MA核素管的厚度为1mm，所述MOX核素管的厚度为4mm；
所述MA核素管的厚度为2mm，所述MOX核素管的厚度为3mm；
所述MA核素管的厚度为3mm，所述MOX核素管的厚度为2mm；
所述MA核素管的厚度为4mm，所述MOX核素管的厚度为1mm。
优选的是，其中，所述套管式MA嬗变棒装载于燃料组件的内区，装载有套管式MA嬗变棒的燃料组件装载在堆芯的正中心以及呈六边形状环绕堆芯正中心设置。
本发明至少包括以下有益效果：本发明提供的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，创新性地将热快中子转换材料6LiD加入到MA嬗变棒的结构设计中，本发明提出了三种方案的嬗变棒的基本结构：①6LiD/MA套管式嬗变棒；②6LiD/MA/MOX套管式嬗变棒；③MA/MOX套管式嬗变棒，并且对每种方案中的6LiD、MA以及MOX燃料的管壁厚度不断优化，提出了一种新的处置MA核素的嬗变棒结构，提升了含有MA核素嬗变棒的嬗变率。将本发明提供的三种设计方案的嬗变棒装载入堆芯后，都会使堆芯Keff下降，但不会低于1.0的临界值。在MA装载量相同时，三种方案的嬗变棒设计中，方案③的嬗变棒结构对堆芯keff的影响最小。在中低能区，由于MA核素具有较大的俘获截面，导致装载了嬗变棒的堆芯能谱在中低能端明显下降，并且MA装载量越多，下降幅度越大。在高能区，MA的裂变俘获比和有效裂变中子数η都增加，不同方案的嬗变棒装载入堆芯后在高能区的能谱无明显区别，因此MA核素的加入使得堆芯能谱轻微硬化。对于堆芯径向通量来说，由于堆芯内区装载的嬗变棒俘获了大量中低能量的中子，导致堆芯内区的中子通量密度有明显的下降，而堆芯中区和外区的中子通量密度变化不明显。
主要MA核素中的237Np、241Am和243Am在经过300天的中子照射后相对密度有明显的下降，这三种核素在钠冷快堆中嬗变效果明显，并且241Am的嬗变率最高，最高能够达到30％，MA核素的总嬗变率最高可达到25.50％。对于244Cm来说，其产生率大于消失率，244Cm的总量不降反升，但是对MA核素的总嬗变率影响不大。三种方案中不同结构的嬗变棒经过300天的中子照射后，嬗变率呈现出随着6LiD厚度的增加和MA厚度的减少而增加的一般规律。
237Np、241Am、243Am在有6LiD层的情况下，嬗变率都有相应的上升，并且6LiD厚度越厚，对嬗变率的提升效果越好，1mm厚的6LiD相对于没有6LiD的嬗变棒，MA核素的总嬗变率提升了0.27％，而3mm的6LiD提升了0.66％。钠冷快堆中6LiD对MA核素的嬗变率有一定的提升作用。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为实施例1的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒的径向剖面结构示意图；
图2为实施例2的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒的径向剖面结构示意图；
图3为实施例3用于快中子堆的套管式MA嬗变棒的径向剖面结构示意图；
图4为套管式MA嬗变棒在燃料组件中的布置示意图；
图5为布置有套管式MA嬗变棒的燃料组件在堆芯中的布置示意图；
图6为分别装载三种方案设计的套管式MA嬗变棒与标准堆芯的能谱对比示意图；
图7为方案①不同结构嬗变棒的堆芯能谱对比示意图；
图8为方案②不同结构嬗变棒的堆芯能谱对比示意图；
图9为方案③不同结构嬗变棒的堆芯能谱对比示意图；
图10为分别装载三种方案设计的套管式MA嬗变棒与标准堆芯径向中子通量对比示意图；
图11为方案①不同结构嬗变棒的径向中子通量对比示意图；
图12为方案②不同结构嬗变棒的径向中子通量对比示意图；
图13为方案③不同结构嬗变棒的径向中子通量对比示意图；
图14主要MA核素密度随燃耗时间变化示意图；
图15采用空气代替套管式MA嬗变棒中6LiD核素管的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1
如图1所示的一种用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其中心层为MA核素管1，MA核素管1厚度为4mm，外层为单层结构的6LiD核素管2，6LiD核素管2的厚度为1mm，每根嬗变棒的密度为10.41g/cm3，半径为5mm，每根MA嬗变棒中MA核素管1的质量为313.50g；MA核素管1的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％。
实施例2
如图2所示的一种用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其中心层为MOX核素管3，MOX核素管3的厚度为1.5mm，外层包括第一外层以及环绕设置在第一外层外部的第二外层，第一外层为MA核素管4，MA核素管4的厚度为3mm，第二外层为6LiD核素管5，6LiD核素管5的厚度为0.5mm，每根嬗变棒的密度为10.41g/cm3，半径为5mm，每根嬗变棒中MA核素管4的质量为352.68g；MA核素管4的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％；MOX核素管的组成核素包括238U、235U、238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu，其中，238U、235U的比例为0.003：1，238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu的比例为0.009：0.615:0.220：0.29750.119：0.041。
实施例3
如图3所示的一种用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其中心层为MOX核素管6，MOX核素管6的厚度为4mm，外层为MA核素管7，MA核素管7的厚度为1mm，每根嬗变棒的密度为10.41g/cm3，半径为5mm，每根嬗变棒中MA核素管7的质量为176.34g；MA核素管7的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％；MOX核素管的组成核素包括238U、235U、238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu，其中，238U、235U的比例为0.003：1，238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu的比例为0.009：0.615:0.220：0.29750.119：0.041。
实施例4
本实施例的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其结构与实施例1的套管式MA嬗变棒相同，但中心层的MA核素管的厚度变为3mm，外层的6LiD核素管的厚度变为2mm；每根嬗变棒的密度为10.41g/cm3，半径为5mm，每根嬗变棒中MA核素管的质量为176.34g；MA核素管的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％。
实施例5
本实施例的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其结构与实施例1的套管式MA嬗变棒相同，但中心层的MA核素管的厚度变为2mm，外层的6LiD核素管的厚度变为3mm；每根嬗变棒的密度为10.41g/cm3，半径为5mm，每根嬗变棒中MA核素管的质量为78.37g；MA核素管的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％。
实施例6
本实施例的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其结构与实施例2的套管式MA嬗变棒相同，但中心层的MOX核素管的厚度变为1mm，第一外层的MA核素管的厚度变为3mm，第二外层的6LiD核素管的厚度变为1mm；每根嬗变棒的密度为10.41g/cm3，半径为5mm，每根嬗变棒中MA核素管的质量为293.90g；MA核素管的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％。
实施例7
本实施例的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其结构与实施例2的套管式MA嬗变棒相同，但中心层的MOX核素管的厚度变为0.5mm，第一外层的MA核素管的厚度变为3mm，第二外层的6LiD核素管的厚度变为1.5mm；每根嬗变棒的密度为10.41g/cm3，半径为5mm，每根嬗变棒中MA核素管的质量为235.12g；MA核素管的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％；MOX核素管的组成核素包括238U、235U、238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu，其中，238U、235U的比例为0.003：1，238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu的比例为0.009：0.615:0.220：0.29750.119：0.041。
实施例8
本实施例的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其结构与实施例3的套管式MA嬗变棒相同，但中心层的MOX核素管的厚度变为3mm，外层的MA核素管的厚度变为2mm；每根嬗变棒的密度为10.41g/cm3，半径为5mm，每根MA核素管的质量为313.50g；MA核素管的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％；MOX核素管的组成核素包括238U、235U、238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu，其中，238U、235U的比例为0.003：1，238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu的比例为0.009：0.615:0.220：0.29750.119：0.041。
实施例9
本实施例的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其结构与实施例3的套管式MA嬗变棒相同，但中心层的MOX核素管的厚度变为2mm，外层的MA核素管的厚度变为3mm；每根嬗变棒的密度为10.41g/cm3，半径为5mm，每根MA核素管的质量为411.47g；MA核素管的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％。
实施例10
本实施例的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其结构与实施例3的套管式MA嬗变棒相同，但中心层的MOX核素管的厚度变为1mm，外层的MA核素管的厚度变为4mm；每根嬗变棒的密度为10.41g/cm3，半径为5mm，每根MA核素管的质量为470.25g；MA核素管的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％；MOX核素管的组成核素包括238U、235U、238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu，其中，238U、235U的比例为0.003：1，238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu的比例为0.009：0.615:0.220：0.29750.119：0.041。
实施例1、实施例4和实施例5采用了同一种设计方案，称为方案①；实施例2、实施例6和实施例7采用相同的设计方案，称为方案②；实施例3、实施例8、实施例9和实施例10采用了相同的设计方案，称为方案③。将各个实施例的套管式MA嬗变棒9分别替换燃料组件8中相应位置的燃料棒，再将含有嬗变棒的燃料组件置于堆芯10中相应位置。为了降低堆芯分离畸变，嬗变棒只装载在堆芯内区，每个燃料组件中含有7根嬗变棒，内区共91个燃料组件，共637根嬗变棒装载入堆芯。堆芯中区和外区均不含嬗变棒，具体燃料组件装载和堆芯装载如图4和图5所示。
众所周知，在堆芯中加入MA会影响到堆芯性能的变化，考虑到不同方案的嬗变棒装载入钠冷快堆堆芯中对堆芯相关参数的影响。利用RMC软件对装载了MA嬗变棒的堆芯径向模拟计算，在误差小于0.1％的前提下，逐步分析方案①、方案②和方案③对钠冷快堆堆芯Keff、能谱以及径向通量的影响。
表1、表2和表3分别是三种方案的不同嬗变棒结构装载入堆芯后对堆芯Keff的影响结果，其中未装载MA嬗变棒的堆芯Keff为1.35。由表中数据可以看出，三种方案的嬗变棒装载入堆芯后，都会使堆芯Keff减低，但不会低于1.0的临界值。可以看出，三种方案的嬗变棒装载入堆芯后，都会使堆芯keff降低，但不会低于1.0的临界值。在三种方案中，方案①和方案②的嬗变棒对keff的影响规律一致，MA核素的裂变性能明显优于6LiD。因此keff的下降幅度随着MA装载量的增加和6LiD的减少而降低。方案③中的嬗变棒成分是由外层MA和内层MOX燃料组成，MOX燃料的裂变特性优于MA核素，即MA装载量越多，keff越低。
在MA装载量相同时，三种方案的嬗变棒设计中，方案③的嬗变棒结构对堆芯keff的影响最小。当堆芯MA装载量为199.7kg时，方案③的堆芯keff为1.115，而方案①的keff为1.068。方案②的堆芯MA装载量在187.22kg时，keff的值为1.069，相较于方案①来说，MA装载量更少，但keff的值更大，这是由于方案②的嬗变棒设计中也加入了MOX燃料。因此，从方案②和方案③的嬗变棒装载入堆芯对keff的影响中可以看出，MA嬗变棒中加入MOX燃料能有效的降低堆芯keff的下降幅度，减小功率畸变。
表1方案①中不同嬗变棒结构对堆芯keff的影响
Figure BDA0003158411550000101
表2方案②中不同嬗变棒结构对堆芯keff的影响
Figure BDA0003158411550000102
Figure BDA0003158411550000111
表3方案③中不同嬗变棒结构对堆芯keff的影响
Figure BDA0003158411550000112
研究嬗变棒转载对堆芯能谱的影响。图6是堆芯装载的三种嬗变棒与未装载嬗变棒时的堆芯能谱对比示意图。由图可知，在中低能区，由于MA核素具有较大的俘获截面，导致装载爆了嬗变棒的堆芯能谱在中低能端明显下降，并且MA装载量越多，下降幅度越大。在高能区，MA的裂变俘获比和有效裂变中子数η都增加，不同方案的嬗变棒装载入堆芯后在高能区的能谱无明显区别，因此MA核素的加入使得堆芯能谱轻微硬化。图7、图8和图9是三种方案中，不同结构的嬗变棒装载入堆芯得到的能谱对比图。三种方案中不同嬗变棒结构的堆芯能谱规律与图8反映的规律一致，MA的装载量是影响中低能端中子通量密度最大的因素，在能谱高能端均无明显区别。
探究嬗变棒装载对堆芯径向通量的影响。图10反映了堆芯装载三种方案的嬗变棒与未装载嬗变棒时堆芯径向中子通量的变化。由图可知，由于堆芯内区装载的嬗变棒俘获了大量中低能量的中子，导致堆芯内区的中子通量密度有明显的下降。从三种方案的嬗变棒材料组成上看，方案①到方案③依次增加MOX燃料添加量，减少6LiD添加量，而MOX燃料具有良好的裂变性能，6LiD主要消耗中子。因此从方案①到方案③堆芯内区的中子通量密度下降幅度降低。针对堆芯中区和外区来看，三种方案都没有布置MA嬗变棒，但由于内区装载了MA嬗变棒的原因，导致三种方案在堆芯中区外区的中子通量略微高于标准堆芯，但区别不大。图11、图12和图13分别是三种方案中，不同结构的嬗变棒装载入堆芯后得到的堆芯径向中子通量变化图。由图可知，三种方案中不同结构的嬗变棒装载入堆芯后引起的堆芯径向中子通量密度变化趋势相同，呈现出嬗变棒中6LiD成分越多，MA核素越少，MOX燃料越少，堆芯内区的中子通量下降越明显的一般规律，而越靠近堆芯边缘，三种方案不同结构的嬗变棒引起的中子通量变化越小。在三种方案中，方案③不同结构的嬗变棒引起的堆芯径向通量变化幅度相比于其他两种方案是最小的。
MA嬗变特性的研究。将三种方案的嬗变棒装载入堆芯，进行MA核素嬗变特性的研究。图14是实施例4的嬗变棒结构为6LiD/MA(2mm/3mm)在经过300天的中子照射后，主要MA核素的相对密度随燃耗时间的变化趋势图。结果显示，不论堆芯装载哪种方案的嬗变棒，四种主要MA核素随燃耗时间的变化趋势都是一样的。
据图可知，主要MA核素中的237Np、241Am和243Am在经过300天的中子照射后相对密度有明显的下降，这三种核素在钠冷快堆中嬗变效果明显。但是由于237Np、241Am以及243Am都可以转换生成244Cm，导致244Cm产生率大于消失率，因此244Cm的总量不降反升。
表4、表5和表6分别是方案①、方案②、方案③中不同结构的嬗变棒装载入钠冷快堆，经过300天中子照射后得到的主要MA核素嬗变率和MA核素总嬗变率。嬗变率计算方法下式所示：
Figure BDA0003158411550000121
表4方案①不同结构嬗变棒的MA嬗变率
Figure BDA0003158411550000122
在方案①的嬗变棒结构中，随着6LiD管壁厚度的增加和MA管壁厚度的减少，237Np、241Am、243Am和总的MA嬗变率都有所增加，一方面6LiD让更多的中子转换成高能中子，MA核素在高能区具有更高的裂变截面，另一方面由于更薄的MA厚度，降低了空间自屏效应，使中子能够有效的进入MA引起其裂变。对于244Cm来说，由于其产生率大于消失率，故其总量呈上升趋势。虽然燃耗末期244Cm的总量增加了15％左右，但是其在主要MA核素中只占比5.4％，而且它的半衰期为18年，远远低于其他三种MA核素。因此244Cm总量的增加，对MA核素总的嬗变率影响不大。
表5方案②不同结构嬗变棒的MA嬗变率
Figure BDA0003158411550000131
表6方案③不同结构嬗变棒的MA嬗变率
Figure BDA0003158411550000132
方案②和方案③中，嬗变率的基本规律也是随着6LiD管壁厚度的增加和MA管壁厚度的减少而增加。方案②和方案③中，嬗变棒中心都加入了一定厚度的MOX燃料，结果显示，嬗变棒中心加入MOX燃料对MA的嬗变率提升作用不明显。在所有结构的嬗变棒中，237Np的嬗变率最高可达到27.74％，241Am最高可达到30％，243Am最高可达到24.13％，MA核素的总嬗变率最高可达到25.50％。
表7三种方案中MA核素管壁厚度为3mm的嬗变率和嬗变量
Figure BDA0003158411550000133
Figure BDA0003158411550000141
表7中列出了三种方案中MA核素管壁厚度为3mm的嬗变棒在堆芯中经过300天中子照射后得到的嬗变率和嬗变量。由表可知，由于MA核素管壁内外径不同，方案①到方案③的MA初装量是逐渐增加的，但是MA嬗变率是逐渐递减的。方案①的嬗变率比方案③大1％，但方案③的MA嬗变量却是方案①的2倍还多。从MA嬗变总量来说，方案③更好，但从嬗变率来说，方案①更好。假设以表7中的方案②所示的嬗变棒装载入堆芯得到的嬗变率为标准，该条件下嬗变量为54.95kg×堆·年，常规压水堆核电站运行一年产生的MA量以20kg/GWe为例，得到钠冷快堆的嬗变支持比约为2.75。
为了进一步确定6LiD对MA核素嬗变率的影响，将方案①中的3种结构的嬗变棒分别做对照研究，采取的方法是取消MA核素外层的6LiD材料，同时不改变嬗变棒其他任何结构与尺寸，嬗变棒结构改变示意图如图15所示。
在不改变其他任何运行参数的情况下，将改变后的嬗变棒转载入堆芯同样进行300天的中子照射，结果如下表8所示。由表可见，237Np、241Am、243Am在有6LiD层的情况下，嬗变率都有相应的上升，并且6LiD厚度越厚，对嬗变率的提升效果越好。1mm厚的6LiD相对于没有6LiD的嬗变棒，MA核素的总嬗变率提升了0.27％，而3mm的6LiD提升了0.66％。虽然244Cm的增加率也是上升的，但并没有影响到总的MA核素的嬗变率上升。总的来说，钠冷快堆中6LiD对MA核素的嬗变率有一定的提升作用。
表8方案①嬗变棒结构中有无6LiD时MA的嬗变率对比
Figure BDA0003158411550000142
综上，三种方案的嬗变棒装载入堆芯后，都会使堆芯keff降低，但不会低于1.0的临界值。在MA装载量相同时，三种方案的嬗变棒设计中，方案③的嬗变棒结构对堆芯keff的影响最小。在中低能区，由于MA核素具有较大的俘获截面，导致装载了嬗变棒的堆芯能谱在中低能端明显下降，并且MA装载量越多，下降幅度越大。在高能区，MA的裂变俘获比和有效裂变中子数η都增加，不同方案的嬗变棒装载入堆芯后在高能区的能谱无明显区别，因此MA核素的加入使得堆芯能谱轻微硬化。对于堆芯径向通量来说，由于堆芯内区装载的嬗变棒俘获了大量中低能量的中子，导致堆芯内区的中子通量密度有明显的下降，而堆芯中区和外区的中子通量密度变化不明显。
主要MA核素中的237Np、241Am和243Am在经过300天的中子照射后相对密度有明显的下降，这三种核素在钠冷快堆中嬗变效果明显，并且241Am的嬗变率最高，最高能够达到30％，MA核素的总嬗变率最高可达到25.50％。对于244Cm来说，其产生率大于消失率，244Cm的总量不降反升，但是对MA核素的总嬗变率影响不大。三种方案中不同结构的嬗变棒经过300天的中子照射后，嬗变率呈现出随着6LiD厚度的增加和MA厚度的减少而增加的一般规律。此外，6LiD可以提升MA核素的嬗变率。结果表明，237Np、241Am、243Am在有6LiD层的情况下，嬗变率都有相应的上升，并且6LiD厚度越厚，对嬗变率的提升效果越好，1mm厚的6LiD相对于没有6LiD的嬗变棒，MA核素的总嬗变率提升了0.27％，而3mm的6LiD提升了0.66％。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其特征在于，包括：
中心层，其外部至少环绕设置有一层外层；
所述中心层为MA核素管，所述外层为6LiD核素管；或者所述中心层为MOX核素管，所述外层为MA核素管和/或6LiD核素管。
2.如权利要求1所述的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其特征在于，所述中心层为MA核素管，所述外层为单层结构的6LiD核素管。
3.如权利要求1所述的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其特征在于，所述中心层为MOX核素管，所述外层包括第一外层和环绕设置在第一外层外部的第二外层，所述第一外层为MA核素管，所述第二外层为6LiD核素管。
4.如权利要求1所述的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其特征在于，所述中心层为MOX核素管，所述外层为单层结构的MA核素管。
5.如权利要求1所述的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其特征在于，所述中心层为MA核素管，所述外层为单层结构的空气层。
6.如权利要求1所述的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其特征在于，所述MA核素管的核素组成包括237Np、241Am、243Am、244Cm，其中237Np的质量占比为56.2％，241Am的质量占比为26.4％，243Am的质量占比为12％，244Cm的质量占比为5.4％；
所述MOX核素管的组成核素包括238U、235U、238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu，其中，238U、235U的比例为0.003：1，238Pu、239Pu、240Pu、241Pu和242Pu的比例为0.009：0.615:0.220：0.29750.119：0.041。
7.如权利要求2所述的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其特征在于，所述6LiD核素管的厚度为1mm，所述MA核素管的厚度为4mm；
所述6LiD核素管的厚度为2mm，所述MA核素管的厚度为3mm；
所述6LiD核素管的厚度为3mm，所述MA核素管的厚度为2mm。
8.如权利要求3所述的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其特征在于，所述6LiD核素管的厚度为0.5mm，所述MA核素管的厚度为3mm，所述MOX核素管的厚度为1.5mm；
所述6LiD核素管的厚度为1mm，所述MA核素管的厚度为3mm，所述MOX核素管的厚度为1mm；
所述6LiD核素管的厚度为1.5mm，所述MA核素管的厚度为3mm，所述MOX核素管的厚度为0.5mm。
9.如权利要求4所述的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其特征在于，所述MA核素管的厚度为1mm，所述MOX核素管的厚度为4mm；
所述MA核素管的厚度为2mm，所述MOX核素管的厚度为3mm；
所述MA核素管的厚度为3mm，所述MOX核素管的厚度为2mm；
所述MA核素管的厚度为4mm，所述MOX核素管的厚度为1mm。
10.如权利要求1所述的用于快中子堆的套管式MA嬗变棒，其特征在于，所述套管式MA嬗变棒装载于燃料组件的内区，装载有套管式MA嬗变棒的燃料组件装载在堆芯的正中心以及呈六边形状环绕堆芯正中心设置。
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