[发明专利]核燃料生产中的防止临界的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备核燃料的装置和方法。 

背景技术

核能在可持续的世界能源融合中扮演着愈发重要的角色。从经济角度而言具有吸引力的铀资源的有限特性将逐渐证明对乏燃料中的可再度使用的材料的再利用的正确性。在北京举行的(2005年5月16-20日)第13届国际核工程大会(ICONE)上由A.Vandergheynst和Y.Vanderborck发表的论文“MIMAS，Setting the world-wide standard for plutonium recycling”中所描述的执行MIMAS生产过程的设备中已经对包含铀氧化物和民用级钚氧化物的混合物的MOX核燃料的生产进行了工业上的证明。用于热中子反应堆和快中子反应堆的MOX燃料生产是用于武器级钚去军事化项目的当前参照。在未来的几十年中，将会考虑依赖新型的能产生裂变物质的或者惰性的基体核燃料的新一代核反应堆--在某些情况下具有降低扩散风险的目的(例如GNEP(全球核能合作伙伴计划))。考虑类似于U-Th的新的循环。考虑已经公知的氧化物和碳化物之外的非金属燃料，例如氮化物。 

对于接下来的几十年，用于当前轻水反应堆和紧接着的下一代3+反应堆(ABWR、EPR、AP)的混合氧化物燃料的生产将继续作为参照，并且将继续确保呈封装在密封的包覆层中的燃料块的形式，这些燃料块自身组装成束(或组件)。 

另一方面，乏燃料的最终处置问题可能会促进再处理/再利用技术的复兴。新的乏燃料再处理工艺(例如UREX)--据认为与在产业上已经得到证实的PUREX工艺相比较不易扩散--可以进行改进并产业化。虽然当前的工艺通常是在手套箱式封装设备即密封的容器中 进行，该密封的容器具有至少一个透明的窗口和至少一个嵌入所述容器的多个壁的一个壁中的手套，从而允许操作人员以防止阿尔法射线的方式操纵容器内的材料和/或维护容器内的处理设备；但是这些新的工艺--由于与钚伴生的超铀锕系元素例如镅、镎或锔的大量伽马辐射--可能要求至少部分在热室中执行燃料生产，即需要带远程操纵器的强屏蔽室。鉴于使用远程操纵器对加工设备维护的难度，优选地尽可能地简化将要在这些热室中执行的燃料加工步骤。 

在经济全球化和能源市场自由化的框架下，所有这些因素的整体经济性无论在当前还是在将来都是未来改进的生存能力的决定性要素，其并没有让步于(哪怕是微小的让步)人口或环境的安全。 

将要建造的新的中等尺寸或大型尺寸的燃料生产设备将处理几十公斤或更多的可裂变材料例如钚，从而产生可能的临界风险。已经决定下来的或提议的设备使用具有高的钚氧化物含量(例如在日本为50％重量百分比)的纯钚氧化物或铀氧化物和钚氧化物的混合物作为供送产物，这毫无疑问将增加扩散阻力。 

因为可能的放射和机械后果，所以由于可裂变材料和中子减速剂以特定量和几何形状的布置而造成发生临界事故的风险是不可接受的。这种风险可能在下述情况下发生：在近似正常的运转操作中，例如出现自动控制失效时或者操作人员出现错误时；在源于内部的事故情形中，例如火灾、结构失效、负载降低或者内部被水淹；或者是源于外因的事故情形中，例如地震、飞机失事或大范围的水灾。这种事故情形可能来源于自然和/或人。 

本发明的目的是更好地防止未来燃料设备中的临界风险。本发明的装置和工艺旨在简化这一防止系统，以增加其可靠性并简化其维护。这样还可以帮助减少资金成本以及操作成本。当在热室中进行核燃料生产时，因为可操作性和可维护性的条件降低，这时实施这些装置和过程是尤其有利的。 

总的来说，当前核反应堆中以及下一代反应堆中所使用的核燃料由核燃料杆组件或杆束构成。这种杆通常包括金属包覆管，包覆管在 其敞开的端部由两个端部插塞密封，并且包含多个圆柱形的陶瓷颗粒，陶瓷颗粒中包含至少一种可裂变元素例如铀或钚的氧化物、氮化物或碳化物。根据燃料管理策略，可以将其他能产生裂变物质的元素或惰性元素混入所述的至少一种可裂变元素中。各种现有的核燃料生产设备生产包含铀和钚的混合氧化物(MOX)(不过也提出混合氮化物和/或碳化物)的这种核燃料颗粒。这些现有的设备具有40至200吨重金属的年产量，即每年处理2至10吨的钚金属。作为馈送产品，这些设备从转换设备接收刚生成的铀氧化物，并且从再处理设备接收钚氧化物。该钚氧化物可以以纯的形式接收，或者已经通过掺入铀氧化物而降低浓度。这种混合物可以在再处理设备中的湿式阶段制备。所述馈送产品可以呈粉末形式和/或颗粒形式。