[发明专利]一种用于嬗变的高通量热中子堆堆芯

说明书

技术领域

本发明属于核工程技术领域，涉及一种用于嬗变的高通量热中子堆堆芯。

背景技术

核电的大规模发展给人类提供了大量的清洁型能源，满足了社会和居民生活需要，但发展的同时也带来了相应的社会和环境问题。其中公众最关注的问题之一就是如何处置核电站乏燃料中大量高放射性核废物，特别是长寿命高放废物。乏燃料中的长寿命高放废物包括²³⁷Np、²⁴¹Am、²⁴²mAm、²⁴³Am、²⁴³Cm、²⁴⁴Cm及²⁴⁵Cm等少数锕系核素(Minor Actinides，简称MA)和⁹⁹Tc、¹²⁹I等长寿命裂变产物(LLFP)，它们构成了对地球生物和人类环境主要的长期放射性危害。因此，要实现核能的可持续发展，重要问题之一就是必须妥善解决乏燃料中长寿命高放废物的后处理问题。

目前国际上核燃料循环的方式主要有两种，(1)“一次性通过”(Once-through-cycle)，即将从核电站中卸载出来的乏燃料经过储存、固化后直接进行地质掩埋处置；(2)“后处理核燃料循环”(Reprocessing-fuel-cycle)，即将乏燃料经过分离处理，将其中的U、Pu等核素回收，再次加工成核燃料(如混合氧化物燃料mixed oxide fuel，简称MOX)，进行重复利用，将分离出来的长寿命高放射性核素经玻璃固化等处理后进行地质掩埋处置。“后处理核燃料循环”可以回收其中部分铀、钚等核素进行再循环利用，相对于“一次性通过”的处理方法，在一定程度上提高的铀、钚等资源的利用率，但其对高放废物的处置方式仍然采用地质掩埋的处置方法，因此依然存在长期的潜在放射性隐患。

嬗变技术是目前唯一可缩短放射性核素寿命的方法，嬗变技术是指长寿命高放核素在中子场中经过中子照射，发生裂变、俘获等反应后转化成其他无危害的核素过程，目的是使长寿命核素转换成短寿命或稳定核素，从而消除长寿命放射性核素对生态环境的危害。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。其中技术最成熟、在运行最多的堆型是热堆，因此开展热堆嬗变技术的研究具有重要意义，在国内外嬗变研究的基础上我们提出了专用于嬗变的热堆-高通量热中子堆。

发明内容

本发明针对现有技术嬗变MA核素能力的不足，提供一种用于嬗变的高通量热中子堆。

一种用于嬗变的高通量热中子堆堆芯，该热中子堆堆芯为圆柱形，由多层燃料搭建而成，每层燃料为圆筒形，相邻的燃料层之间为慢化剂，堆芯分为内层和外层两部分，其中内层的每层慢化剂厚度比外层的每层慢化剂厚度大，使中子得到更好的慢化；外层燃料层数比内层燃料层数多，并且每层燃料厚度较内层的每层燃料要厚，为内层提供足够的中子源，从而保证能在内层得到较高的热中子通量。当堆芯处理长寿命高放废物时，将内层的其中部分燃料层替换为长寿命高放废物。

所述慢化剂为轻水或重水。

所述燃料为MOX或UO₂燃料。

所述长寿命高放废物为MA。

一种优选的方案：内层有36层燃料，外层有60层燃料，其中外层每层燃料的厚度为0.125cm，每层慢化剂的厚度为0.125cm，内层每层慢化剂的厚度为0.4cm，每层燃料厚度为0.1cm。当堆芯处理MA时，将内层的第1、16和31层燃料替换为MA。

本发明的有益效果为：本发明高通量热中子堆的嬗变效率可达6.3％，因此高通量热中子堆嬗变MA的效率要高于快堆。传统热堆(主要是压水堆)的中子通量低，不能充分利用MA核素俘获中子生成的易裂变产物，因此嬗变MA的效率非常低，仅有1％左右。高通量热中子堆采用的是成熟的热堆技术，并且嬗变效率高，对我国核能行业的健康稳定发展以及先进核燃料循环体系的实现具有重要意义。

附图说明

图1高通量热中子堆外层结构示意图；

图2高通量热中子堆内层结构示意图；

图3为高通量热中子堆的整体结构；

图4高通量热中子堆纵向截面图；

图5高通量热中子堆嬗变层的布置。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

一、高通量热中子堆基本结构