CN113643838A - 一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀ma嬗变棒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包括：UO2燃料芯块，其外部设置有6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有奇数段的6LiD和MA核素混合层；其中，第n+1段的6LiD和MA核素混合层厚度最大，从第1段到第n+1段，6LiD和MA核素混合层的厚度逐段递增；从第n+1段到第2n+1段，6LiD和MA核素混合层的厚度逐段递减。本发明提供的非均匀MA嬗变棒提升了MA核素的嬗变率和裂变率，不会影响堆芯的安全性，还对堆芯轴向功率具有展平作用。

Description

一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒
技术领域
本发明属于压水堆核燃料嬗变组件技术领域，更具体地说，本发明涉及 一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒。
背景技术
自二十世纪三十年代，人类首次发现了核裂变现象，到四十年代第一个 可控链式核反应堆被建立，核能开始逐步进入到人们的视线中。五十年代核 反应堆第一次将核能转化为电能，自此核电站正式开始进入到人们的生活。 从六十年代之初到现在，世界核电事业进程跌宕起伏，如今第四代核能系统 正在逐步建立并迅速发展。
随着核电站反应堆被大量投入运营，乏燃料储量也会因核电使用越来越 广泛而不断增加，这使得乏燃料的处理成为了一个重要问题，特别是乏燃料 核心中的237Np、241Am、243Am和244Cm等半衰期为数百万年的次锕系核素 (minor actinides,简称MA)，中国工程院在《2050年我国的能源需求》的咨 询研究报告中明确指出,到2050年，我国的核电约占一次能源总量的比例要 求上升到12.5％。随着压水堆核电站运营和在建机组数量的不断增长，可预 见的是乏燃料的年产量将不断增加。如果2030年核电装机总量达到 8000-10000万千瓦，届时乏燃料储存量将达到2至2.5万吨，其中的MA核 素为16到20吨，MA核素半衰期极长，是乏燃料的远期风险的重要原因。
目前可以用来进行嬗变的堆芯有很多，热中子堆、快中子堆，次临界反 应堆等反应堆都可以用来嬗变MA核素，但从现今世界核电发展情况来看热 中子反应堆主要是其中的压水堆的技术已经十分成熟，是如今世界上在运行 数量最多的商用反应堆，因此热中子反应堆，特别是压水反应堆，在可预见 的未来一直会是世界上主流的反应堆。因此，研究加压水堆中的次锕系元素 嬗变性能关系到核能大规模可持续发展的重要研究课题。
如果想妥善处置放射性废物特别是其中的次锕系核素，则必须通过人为 干预的方法，否则只有将其深埋处理，直到放射性废物衰变至无害。放射性 废物也分为低、中、高放废物中，次锕系元素是高放废物主要成分之一，虽 然MA核素仅占放射性废物总量的0.08％，但是MA核素的危害相较于其他 放放射性废物要大的多，深埋等处置方法对于次锕系核素来说并不能有效解 决其对人类及环境潜在的威胁。
当前对乏燃料中MA核素的后处理技术主要是分离嬗变技术。该技术首 先将长寿命锕系核素分离出来，然后再集中起来放到反应堆中进行嬗变，使 其转变为稳定或短寿命的核素。由于MA核素在中高能区的裂变和俘获截面 更大，因此当堆芯中添加MA核素时会对堆芯参数产生影响。因此，需要一 种MA嬗变棒结构，并且这种MA嬗变棒在放入反应堆进行嬗变时不会对反 应堆堆芯参数产生影响。
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，提供了一种具有展平堆芯 轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包括：
UO2燃料芯块，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块的外部设置有环形结 构的6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有呈 环形结构的气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有奇数段的6LiD和MA核素混合层，从 非均匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1 段，第2段，…，第n段，第n+1段，…，第2n+1段，n是大于等于1的整 数；其中，第n+1段的6LiD和MA核素混合层厚度最大，从第1段到第n+1 段，6LiD和MA核素混合层的厚度逐段递增；从第n+1段到第2n+1段，6LiD 和MA核素混合层的厚度逐段递减；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有与6LiD和MA核素混合层段数相同的 UO2燃料芯块，且每段UO2燃料芯块与每段6LiD和MA核素混合层一一对应
优选的是，其中，所述6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
优选的是，其中，所述6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的 质量比介于9∶1到1∶9之间。
优选的是，其中，所述非均匀MA嬗变棒布置在燃料组件中部分控制棒 导向管的位置，燃料组件的x轴和y轴方向的中心位置上分别装载了2根非 均匀MA嬗变棒，燃料组件的四个角落分别装载了3根非均匀MA嬗变棒， 即在一个燃料组件中装载了16根非均匀MA嬗变棒；装载有非均匀MA嬗 变棒的燃料组件装载在堆芯内部部分燃料富集度为2.4％和3.1％的区域内， 且装载有非均匀MA嬗变棒的燃料组件在堆芯中呈交替间隔排布。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明提供的具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒不会影响 堆芯的安全性，提升了MA核素的嬗变率和裂变率，还对堆芯轴向功率分布 产生展平效果。
方案①轴向分三段MA嬗变棒展平效果最好，方案①在堆芯运行540天 后MA核素中237Np、241Am和243Am嬗变率分别为19.78％、35.85％、21.67％， 244Cm变化趋势同轴向不分段方案，会有一定的上升，嬗变率为-34.21％，此 时MA核素总嬗变率为21.50％，直接裂变率为4.48％。该方案下，堆芯共计 装载MA核素2287265g，嬗变MA核素491762.054g，相当于19座普通压水 堆MA核素年产量。
本发明提供的涂层式轴向分段的非均匀MA嬗变棒均能对堆芯轴向功率 产生一定的展平效果，在三种方案中，方案①轴向分三段MA嬗变棒展平效 果最好，方案①在堆芯运行540天后MA核素中237Np、241Am和243Am嬗变 率分别为19.78％、35.85％、21.67％，244Cm变化趋势同轴向不分段方案，会 有一定的上升，嬗变率为-34.21％，此时MA核素总嬗变率为21.50％，直接 裂变率为4.48％。该方案下，堆芯共计装载MA核素2287265g，嬗变MA核 素491762.054g，相当于19座普通压水堆MA核素年产量。
对于237Np、241Am和243Am三种MA核素，在MA核素层添加6LiD的 情况下嬗变率均有一定的提升，对比轴向分三段MA嬗变棒方案计算研究结 果，添加6LiD后，237Np、241Am和243Am嬗变率分别提高了1.98％、1.26％ 和1.08％，MA核素总嬗变率提高了1.39％。对于裂变率，添加6LiD后，MA 核素裂变率由3.96％提升到4.48％，说明添加6LiD对MA核素的嬗变率及裂 变率均有一定提升作用。
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为本发明提供的具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒径 向截面结构示意图；
图2为实施例1的非均匀MA嬗变棒的轴向剖面结构示意图；
图3为实施例10的非均匀MA嬗变棒的轴向剖面结构示意图；
图4为实施例11的非均匀MA嬗变棒的轴向剖面结构示意图；
图5为非均匀MA嬗变棒在燃料组件中的排布方式示意图；
图6为带非均匀嬗变棒的燃料组件在堆芯中的排布方式示意图；
图7为实施例1～实施例9的非均匀MA嬗变棒中不同比例的MA核素和 6LiD对堆芯有效增值因子的影响曲线；
图8为6LiD和MA核素混合层中6LiD质量百分比变化对237Np嬗变率的 影响曲线；
图9为6LiD和MA核素混合层中6LiD质量百分比变化对241Am嬗变率 的影响曲线；
图10为6LiD和MA核素混合层中6LiD质量百分比变化对243Am嬗变率 的影响曲线；
图11为6LiD和MA核素混合层中6LiD质量百分比变化对244Cm嬗变率 的影响曲线；
图12为6LiD和MA核素混合层中6LiD质量百分比变化对MA核素总嬗 变率的影响曲线；
图13为装载实施例8的非均匀MA嬗变棒运行540天内MA核素原子 核密度变化曲线；
图14为装载实施例10的非均匀MA嬗变棒运行540天内MA核素原子 核密度变化曲线；
图15为装载实施例11的非均匀MA嬗变棒运行540天内MA核素原子 核密度变化曲线；
图16为实施例8、实施例10和实施例11的非均匀MA嬗变棒对堆芯轴 向功率的展平效果曲线；
图17为实施例8、实施例10和实施例11的非均匀MA嬗变棒对堆芯轴 向中子通量展平效果曲线；
图18为添加6LiD和不添加6LiD的非均匀MA嬗变棒装载入堆芯运行540 天内237Np原子核密度变化曲线；
图19为添加6LiD和不添加6LiD的非均匀MA嬗变棒装载入堆芯运行540 天内241Am原子核密度变化曲线；
图20为添加6LiD和不添加6LiD的非均匀MA嬗变棒装载入堆芯运行540 天内243Am原子核密度变化曲线；
图21为添加6LiD和不添加6LiD的非均匀MA嬗变棒装载入堆芯运行540 天内244Cm原子核密度变化曲线。
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。
实施例1
如图1和图2所示：本发明的一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀 MA嬗变棒，包括：
UO2燃料芯块1，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块1的外部设置有环 形结构的6LiD和MA核素混合层2，所述6LiD和MA核素混合层2的外部 设置有呈环形结构的气隙层3，所述气隙层3的外部设置有锆合金包壳4；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有3段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段 21、第2段22、第3段23；其中，第2段6LiD和MA核素混合层厚度为3mm， 与其对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm，第1段和第3段6LiD和MA核素 混合层厚度均为2mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为4.19mm；第1段、 第2段和第3段6LiD和MA核素混合层的长度均为1219.2mm，非均匀MA 嬗变棒的总长度为3657.6mm，锆合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径 为9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为1∶9。
实施例2
一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包括：
UO2燃料芯块，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块的外部设置有环形结 构的6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有呈 环形结构的气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有3段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段、 第2段、第3段；其中，第2段6LiD和MA核素混合层厚度为3mm，与其 对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm，第1段和第3段6LiD和MA核素混合 层厚度均为2mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为4.19mm；第1段、第2 段和第3段6LiD和MA核素混合层的长度均为1219.2mm，非均匀MA嬗变 棒的总长度为3657.6mm，锆合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径为 9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为2∶8。
实施例3
一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包括：
UO2燃料芯块，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块的外部设置有环形结 构的6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有呈 环形结构的气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有3段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段、 第2段、第3段；其中，第2段6LiD和MA核素混合层厚度为3mm，与其 对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm，第1段和第3段6LiD和MA核素混合 层厚度均为2mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为4.19mm；第1段、第2 段和第3段6LiD和MA核素混合层的长度均为1219.2mm，非均匀MA嬗变 棒的总长度为3657.6mm，锆合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径为 9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为3∶7。
实施例4
一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包括：
UO2燃料芯块，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块的外部设置有环形结 构的6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有呈 环形结构的气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有3段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段、 第2段、第3段；其中，第2段6LiD和MA核素混合层厚度为3mm，与其 对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm，第1段和第3段6LiD和MA核素混合 层厚度均为2mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为4.19mm；第1段、第2 段和第3段6LiD和MA核素混合层的长度均为1219.2mm，非均匀MA嬗变 棒的总长度为3657.6mm，锆合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径为 9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为4∶6。
实施例5
一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包括：
UO2燃料芯块，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块的外部设置有环形结 构的6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有呈 环形结构的气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有3段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段、 第2段、第3段；其中，第2段6LiD和MA核素混合层厚度为3mm，与其 对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm，第1段和第3段6LiD和MA核素混合 层厚度均为2mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为4.19mm；第1段、第2 段和第3段6LiD和MA核素混合层的长度均为1219.2mm，非均匀MA嬗变 棒的总长度为3657.6mm，锆合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径为 9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为5∶5。
实施例6
一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包括：
UO2燃料芯块，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块的外部设置有环形结 构的6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有呈 环形结构的气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有3段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段、 第2段、第3段；其中，第2段6LiD和MA核素混合层厚度为3mm，与其 对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm，第1段和第3段6LiD和MA核素混合 层厚度均为2mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为4.19mm；第1段、第2 段和第3段6LiD和MA核素混合层的长度均为1219.2mm，非均匀MA嬗变 棒的总长度为3657.6mm，锆合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径为 9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为6∶4。
实施例7
一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包括：
UO2燃料芯块，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块的外部设置有环形结 构的6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有呈 环形结构的气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有3段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段、 第2段、第3段；其中，第2段6LiD和MA核素混合层厚度为3mm，与其 对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm，第1段和第3段6LiD和MA核素混合 层厚度均为2mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为4.19mm；第1段、第2 段和第3段6LiD和MA核素混合层的长度均为1219.2mm，非均匀MA嬗变 棒的总长度为3657.6mm，锆合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径为 9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为7∶3。
实施例8
一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包括：
UO2燃料芯块，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块的外部设置有环形结 构的6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有呈 环形结构的气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有3段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段、 第2段、第3段；其中，第2段6LiD和MA核素混合层厚度为3mm，与其 对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm，第1段和第3段6LiD和MA核素混合 层厚度均为2mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为4.19mm；第1段、第2 段和第3段6LiD和MA核素混合层的长度均为1219.2mm，非均匀MA嬗变 棒的总长度为3657.6mm，锆合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径为 9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为8∶2。
实施例9
一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包括：
UO2燃料芯块，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块的外部设置有环形结 构的6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有呈 环形结构的气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有3段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段、 第2段、第3段；其中，第2段6LiD和MA核素混合层厚度为3mm，与其 对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm，第1段和第3段6LiD和MA核素混合 层厚度均为2mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为4.19mm；第1段、第2 段和第3段6LiD和MA核素混合层的长度均为1219.2mm，非均匀MA嬗变 棒的总长度为3657.6mm，锆合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径为 9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为9∶1。
实施例10
如图3所示的一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包 括：
UO2燃料芯块1，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块1的外部设置有环 形结构的6LiD和MA核素混合层2，所述6LiD和MA核素混合层2的外部 设置有呈环形结构的气隙层3，所述气隙层3的外部设置有锆合金包壳4；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有5段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段 24、第2段25、第3段26、第4段27和第5段28；其中，第3段6LiD和 MA核素混合层厚度为3mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm；第2 段和第4段6LiD和MA核素混合层厚度均为2mm，与其对应的UO2燃料芯 块直径为4.19mm；第1段和第5段6LiD和MA核素混合层厚度均为1mm， 与其对应的UO2燃料芯块直径为6.19mm；每段6LiD和MA核素混合层和每 段UO2燃料芯块的长度均为731.52mm，非均匀MA嬗变棒的总长度为 3657.6mm，锆合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径为9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为8∶2。
实施例11
如图4所示的一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，包 括：
UO2燃料芯块1，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块1的外部设置有环 形结构的6LiD和MA核素混合层2，所述6LiD和MA核素混合层2的外部 设置有呈环形结构的气隙层3，所述气隙层3的外部设置有锆合金包壳4；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有7段6LiD和MA核素混合层，从非均 匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段 29、第2段210、第3段211、第4段212、第5段213、第6段214和第7 段215；其中，第4段6LiD和MA核素混合层厚度为3mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为2.22mm；第3段和第5段6LiD和MA核素混合层厚度均为 2mm，与其对应的UO2燃料芯块的直径为4.19mm；第2段和第6段6LiD和 MA核素混合层厚度均为1mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为6.19mm； 第1段和第7段6LiD和MA核素混合层厚度均为0.5mm，与其对应的UO2燃料芯块直径为7.19mm；第1段、第2段、第3段、第5段、第5段、第6 段和第7段6LiD和MA核素混合层的长度均为731.52mm，第4段6LiD和 MA核素混合长度为537.6mm，非均匀MA嬗变棒的总长度为3657.6mm，锆 合金包壳厚度为0.57mm，锆合金包壳外径为9.5mm。
6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比为8∶2。
其中，实施例1～实施例9的非均匀MA嬗变棒的轴向结构布置相同，但 是6LiD和MA核素混合层中6LiD和MA核素的比例不同，将实施例1～实施 例9的非均匀MA嬗变棒的设计方案称为方案①；实施例10和实施例11的 非均匀MA嬗变棒的轴向布置结构与方案①的布置方式均不同，将实施例10 非均匀MA嬗变棒的设计方案称为方案②，实施例11非均匀嬗变棒的设计方 案称为方案③。
HPR1000堆芯中燃料组件是由燃料棒在燃料组件内XY方向上各放置17 根均匀排布组成，一个燃料组件内共有264根燃料棒及24跟控制棒导向管和 一根中央测量管，由于MA的加入会导致堆芯有效增值因子在一定程度上降 低，所以MA可以在一定情况下起到代替可燃毒物棒的作用，因此将非均匀 MA嬗变棒布置到燃料组件中部分控制棒导向管6的位置上，合计布置16根 非均匀MA嬗变棒7，其余为燃料棒5，非均匀MA嬗变棒7在燃料组件中分布图如图5所示。
搭建的压水堆堆芯共计177个燃料组件，其中富集度为2.4％的组件61 个，富集度为3.1％的组件68个，富集度为4.4％的组件48个，由于堆芯内部 中子通量高于堆芯外围，为了提高MA核素嬗变率及装载量，选择将燃料棒 布置在区域一与区域二部分(富集度为2.4％及3.1％)燃料组件内，共计布置 1536根MA嬗变棒。堆芯内MA嬗变棒排布方式如图6所示。
图7是在轴向不分段方案下不同MA、6LiD混合材料比例的MA嬗变棒 装载入堆芯后对堆芯keff的影响，其中堆芯未装载MA嬗变棒时keff为1.3766， 通过对下图的分析我们可以得到，不同MA、6LiD混合比例的轴向均匀MA 嬗变棒插入堆芯后均会使得堆芯keff下降但是无论何种比例均不会使有效增 值因子低于1.0的临界值。表1为涂层混合材料比例MA∶6LiD为4:6、5:5、 6:4、7:3、8:2、9:1时堆芯有效增值因子的变化，通过图表分析，随着嬗变棒 装载MA核素增加，keff由1.288562下降到1.278413，因此，堆芯MA装载 量越多，堆芯反应性越低，但降幅较小，对堆芯反应性无显著影响。
表1不同MA、6LiD比例的6LiD和MA核素混合层对堆芯keff的影响
MA:<sup>6</sup>LiD(质量百分比) k<sub>eff</sub>
4:6 1.288562
5:5 1.286487
6:4 1.284562
7:3 1.282591
8:2 1.278516
9:1 1.278413
在混合材料MA:6LiD比例为8:2时，三种轴向分段方案下堆芯插入非均 匀MA嬗变棒后对keff的影响结果，如表2所示。三种方案中，MA装载量对 堆芯反应性影响均为MA装载越多堆芯反应性越小，但三种分段方案下堆芯 装载MA嬗变棒后keff仍然大于临界值1.0。
表2不同分段方案的非均匀MA嬗变棒结构对堆芯keff的影响
Figure BDA0003182206990000131
由于MA核素在中低能区俘获截面较大，因此装载嬗变棒后的堆芯能谱 中低能端通量有所下降，下降程度随MA:6LiD的比例提高而下降。但在高能 区MA:6LiD比例的变化对的嬗变棒装载入堆芯后在高能区的能谱影响较小， 堆芯通量没有发生太大的变化，因此MA核素的加入不会产生太大的负面影 响进而干扰堆芯性能后续计算研究。
将实施例1～实施例9的轴向非均匀MA嬗变棒装载入堆芯，利用RMC 程序进行燃耗计算。计算堆芯运行540天(一个换料周期)内237Np、241Am、 243Am、244Cm原子核密度变化情况，进一步计算得到各核素的嬗变率及MA 总嬗变率，结果如表3所示，在混合材料MA:6LiD为8:2时MA总嬗变率最 高，为22.43％，因此后继研究工作中取MA:6LiD比例为8：2。
由表3和图12可知，在混合材料MA:6LiD为8:2时，237Np、241Am、243Am 嬗变率最高，分别为20.47％、38.01％、22.62％，但是由于237Np、241Am和 243Am均可以通过俘获吸收产生244Cm，因此在最终计算结果中，244Cm的产 生大于消失，其变化率与其他三种MA核素呈相反规律。
表3不同6LiD占比下堆芯运行540天各MA核素嬗变率及MA总嬗变率
Figure BDA0003182206990000141
由图8可得，237Np嬗变率变化有着明显的规律，由于6LiD本身也会吸 收一定的中子，若6LiD添加含量较小，转化得到的14MeV中子数量就不够 多，无法对MA核素的嬗变产生明显的提高作用，当6LiD添加比例提高时， 随着比例的增加，6LiD吸收的中子也会随之增加，由于并不能完全转化为 14MeV中子，因此也会使得堆芯内高能中子减少，不利于MA核素的嬗变， 因此中子在6LiD占比为20％时237Np出现最佳嬗变率，为20.47％，之后随着 6LiD比例的提高堆芯内高能中子数量减少，237Np嬗变率也呈现下降趋势。
由图9和11可得，241Am与243Am的嬗变率变化规律同237Np一致均在 6LiD占比为20％时得到最高值分别为38.10％与22.62％。
分析图11，244Cm变化规律同其他三种MA核素变化规律相反，在6LiD 比例为20％时嬗变率呈现最低负值，即此时244Cm产生量最高，这是由于在 嬗变过程中，低原子序数的次锕系核素转化成244Cm，并且244Cm本身含量在 MA核素中比例较低，因此堆芯运行540天后，堆芯内244Cm核素会大于运 行前堆芯244Cm装载量。
MA核素在高能区的裂变截面更高，在混合材料中加入适当的6LiD会提 高堆芯中高能中子的比例，从而达到提高MA核素嬗变率的目的，在轴向均 匀的嬗变棒设计方案中，随着混合材料MA:6LiD比例的变化，各MA核素嬗 变率变化呈现出明显的规律，在MA:6LiD为8:2时出现最佳值，237Np、241Am、 243Am及MA核素总嬗变率均达到最高值，分别为20.47％、38.01％、22.62％ 和22.43％，而对于244Cm核素，在540天的运行周期末其总量虽然高于初期 装载量38.10％，但是MA核素中仅有5.4％的244Cm核素，并且其半衰期较短 仅为18年，因此，244Cm的嬗变率变化并不会对MA核素总嬗变量产生太大 影响。
固定MA:6LiD比例，通过改变涂层厚度的方式进行分段研究，将混合材 料更多的涂覆在燃料棒轴向高功率部分，具体分段布局及结构参数如前文所 述。
将三种方案的轴向非均匀MA嬗变棒插入到堆芯中，计算研究其嬗变性 能，图13、图14、图15分别为三种方案经过540天中子照射后各MA核素 及总MA核素原子核密度变化情况。
三种方案原子核密度变化规律一致，在混合材料MA:6LiD比例为8:2时， 堆芯运行540天内随着堆芯运行时间的增加，237Np、241Am和243Am的原子 核密度在不断减小，244Cm的原子核密度缓慢增加，通过所得数据计算各方案 嬗变率如表4所示。结果显示方案①中实施例8的总嬗变率为21.50％、方案 ②总嬗变率为21.89％、方案③总嬗变率为22.89％。
表4堆芯运行540天不同分段方案非均匀MA嬗变棒嬗变率
Figure BDA0003182206990000151
每个燃料组件中布置16根MA嬗变棒，将其布置在区域一及区域二共计 96个燃料组件区，全堆共布置1536根MA嬗变棒。每根棒活性区高度 365.76cm，涂层密度10.4g/cm3。
以质量份额比例的方式将MA与6LiD混合为涂层材料，混合材料中 MA:6LiD最佳比例为8:2，即混合材料中MA所占质量为混合材料总质量的80％。
方案①的实施例8中，每根棒装载MA核素质量为：
[π×(0.40962-0.10962)×10.4×121.92+π×(0.40962-0.20962)×10.4×243.84]×80 ％＝1489.105g
每个燃料组件中MA核素质量为：
1489.105×16＝23825.680g
堆芯中MA核素总质量为：
23825.680×96＝2287265g
经过堆芯运行540天后MA核素总嬗变量为：
2287265×21.50％＝491762.054g
方案②中每根棒装载MA核素质量为：
[π×(0.40962-0.10962)×10.4×73.152+π×(0.40962-0.20962)×10.4×146.304+π×( 0.40962-0.30962)×10.4×146.304]×80％＝1046.427g
每个燃料组件中MA核素质量为：
1046.427×16＝16742.833g
堆芯中MA核素总质量为：
16742.833×96＝1607312.007g
经过堆芯运行540天后MA核素总嬗变量为：
1607312.007×22.89％＝351840.6g
方案③中中每根棒装载MA核素质量为：
[π×(0.40962-0.10962)×10.4×53.76+π×(0.40962-0.20962)×10.4×104.0+π×(0.4 0962-0.30962)×10.4×104.0+π×(0.40962-0.35962)×10.4×104.0]×80％＝855.565g
每个燃料组件中MA核素质量为：
855.565×16＝13689.040g
堆芯中MA核素总质量为：
13689.040×96＝1314147g
经过堆芯运行540天后MA核素总嬗变量为：
1314147×21.89％＝300808.3g
三种方案具体嬗变率及嬗变量如表5所示。
表5不同分段方案的非均匀MA嬗变棒嬗变率及嬗变量
Figure BDA0003182206990000171
计算结果显示，堆芯运行540天后，对于方案①可焚烧掉MA核素 491.762k；方案②可焚烧MA核素351.841kg；方案③可焚烧MA核素 300.808kg。普通压水堆每年约产生MA核素25.166kg，各核素年产量表如表 4-6所示。因此，方案①在堆芯内运行540天嬗变掉的MA核素相当于19座 压水堆MA核素年产量；方案②在堆芯内运行540天嬗变掉的MA核素相当 于14座压水堆MA核素年产量；方案③在堆芯内运行540天嬗变掉的MA 核素相当于12座压水堆MA核素年产量。
由于MA核素俘获截面很大，在中子场与热中子发生俘获反应时减少了 核燃料与热中子发生的裂变反应，因此，在堆芯合理的引入MA核素后还会 具有展平燃料棒轴向功率的作用。
将三种方案的轴向非均匀MA嬗变棒插入到堆芯中同时为了对比展平效 果，将其与初始堆芯及插入均匀MA嬗变棒堆芯进行对比，计算研究其对堆 芯轴向功率及堆芯轴向中子通量的影响，具体结果如图16、图17所示
结果显示，相较于堆芯未插入MA嬗变棒，插入方案①、方案②及方案 ③的MA嬗变棒后对堆芯轴向功率有着显著的展平效果，各方案下轴向功率 及轴向中子通量不均匀系数如表6所示。
表6各方案下堆芯轴向功率及轴向中子通量不均匀系数
嬗变棒结构 轴向功率不均匀系数 轴向中子通量不均匀系数
均匀棒无MA 1.778774694 1.976216663
均匀棒有MA 1.736589125 2.002670119
方案① 1.374674266 1.51666169
方案② 1.408442593 1.558553736
方案③ 1.54557017 1.71306412
综上方案①展平效果相较于其他方案有较为明显的优势。结合上文，为 了在尽可能多的嬗变掉MA核素的情况下达到对堆芯轴向功率较好的展平效 果，综合计算研究结果，方案①展平效果最好，同时MA嬗变总量最高，每 540天嬗变掉的MA核素相当于19座压水堆MA核素的年产量。
MA核素在堆芯中消失的方式主要为吸收中子发生裂变和俘获中子生成其 他的高放射性超铀元素[24]。
我们研究目的是将乏燃料中的长寿命核素通过嬗变技术转换成短寿命核 素或者稳定核素，如果次锕系核素在嬗变过程中发生俘获反应生成了一些半 衰期更长的超铀元素则无法达成我们嬗变的目的，让MA核素尽可能多的裂 变消失才是我们最终研究的目标。
通过统计堆芯初始MA核素装载量及运行540天后堆芯内重核元素的原 子核密度进一步计算出MA核素的直接裂变率，其计算公式如(4-1)(4-2) 所示。
Figure BDA0003182206990000181
Figure BDA0003182206990000182
其中M为某种核素在MA嬗变棒中的总质量；X为某一核素原子核密度； NA为阿伏加德罗常数6.023×1023；Ar为该种核素的相对原子质量；V为MA 嬗变棒装载MA核素部分的体积；BOL为平衡态初期；EOL为平衡态末期； 本文选取重核核素为237Np之后的核素。
方案①中，装载MA部分的体积为：
π×(0.40962-0.10962)×121.92+π×(0.40962-0.20962)×243.84＝221.835cm3
V＝221.835×1536＝340738.56cm3
经过统计计算方案①中，堆芯运行540天后MA核素总裂变率为4.48％。MA 嬗变棒装载入堆芯运行540天后剩余主要元核素如下表7所示
表7MA嬗变棒在堆芯运行540天后剩余主要核素
Figure BDA0003182206990000183
Figure BDA0003182206990000191
Figure BDA0003182206990000201
为了计算研究6LiD的加入对MA核素嬗变性能的影响，我们在涂层式轴 向分三段MA嬗变棒方案中保持其涂层厚度、活性段高度等基础结构不变， 将混合材料涂层MA:6LiD比例进行调整，去除混合材料中的6LiD，即涂层材 料全部由MA核素组成。
将调整后的MA嬗变棒装载入堆芯，在堆芯内运行540天后，统计各 MA核素及MA核素总量的嬗变率，堆芯运行540天内各核素核子密度变化 情况如图18、图19、图20和图21所示。
根据上图分析可得，在添加6LiD后，237Np、241Am和243Am嬗变率均有 提升，而244Cm因为其他三种MA核素嬗变率提高所以产量也会相应增加， 相较于不添加6LiD，添加6LiD后MA嬗变棒各MA核素及MA核素总嬗变 率变化量如表8所示
表8 6LiD对MA嬗变棒嬗变率影响
Figure BDA0003182206990000202
添加6LiD后，237Np、241Am和243Am嬗变率提升量分别为1.98％、1.26％ 和1.08％，MA核素总嬗变率提升量为1.39％。压水堆中MA嬗变棒加入6LiD 可以对MA核素的嬗变量提升率为6.89％。
在裂变率研究方面，对比添加6LiD前后堆芯MA核素的裂变率(包括直 接裂变率和间接裂变率)，其结果如表9所示.
表9 6LiD对非均匀MA嬗变棒裂变率的影响
Figure BDA0003182206990000203
添加6LiD后，MA核素直接裂变率提高了0.52％，提升率为13.13％，综 合对比加入6LiD后MA核素裂变率及嬗变率，可以得知：6LiD对压水堆嬗 变MA核素起到一定的积极促进作用。
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 (4)

1.一种具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，其特征在于，包括：
UO2燃料芯块，其呈柱状结构，所述UO2燃料芯块的外部设置有环形结构的6LiD和MA核素混合层，所述6LiD和MA核素混合层的外部设置有呈环形结构的气隙层，所述气隙层的外部设置有锆合金包壳；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有奇数段的6LiD和MA核素混合层，从非均匀MA嬗变棒的上端到下端，各段6LiD和MA核素混合层依次记为第1段，第2段，…，第n段，第n+1段，…，第2n+1段，n是大于等于1的整数；其中，第n+1段的6LiD和MA核素混合层厚度最大，从第1段到第n+1段，6LiD和MA核素混合层的厚度逐段递增；从第n+1段到第2n+1段，6LiD和MA核素混合层的厚度逐段递减；
沿非均匀MA嬗变棒的轴向设置有与6LiD和MA核素混合层段数相同的UO2燃料芯块，且每段UO2燃料芯块与每段6LiD和MA核素混合层一一对应。
2.如权利要求1所述的具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，其特征在于，所述6LiD和MA核素混合层中的237Np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％。
3.如权利要求1所述的具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，其特征在于，所述6LiD和MA核素混合层中，MA核素与6LiD的质量比介于9∶1到1∶9之间。
4.如权利要求1所述的具有展平堆芯轴向功率功能的非均匀MA嬗变棒，其特征在于，所述非均匀MA嬗变棒布置在燃料组件中部分控制棒导向管的位置，燃料组件的x轴和y轴方向的中心位置上分别装载了2根非均匀MA嬗变棒，燃料组件的四个角落分别装载了3根非均匀MA嬗变棒，即在一个燃料组件中装载了16根非均匀MA嬗变棒；装载有非均匀MA嬗变棒的燃料组件装载在堆芯内部部分燃料富集度为2.4％和3.1％的区域内，且装载有非均匀MA嬗变棒的燃料组件在堆芯中呈交替间隔排布。
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