[发明专利]一种掺杂锝—99的核燃料元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种核反应堆燃料元件，特别是一种掺杂锝—99的核燃料元件。

背景技术

热中子能谱反应堆是目前世界核动力的主要堆型，大量的热中子堆核电厂采用低浓铀燃料，低浓铀燃料中的铀—238经多次中子俘获反应后可生成次锕系核素，简称MA，这些次锕系核素的半衰期很长，个别可达10⁶年，放射性毒性很强；同时裂变反应产生的部分长寿命裂变产物，简称LLFP，半衰期可达10⁷年。低浓铀热中子堆的乏燃料中产量最高的MA为镎—237，产量最高的LLFP为锝—99。MA的来源主要是铀—238多次中子俘获反应，因此，从源头上降低MA产量可通过降低低浓铀燃料中铀—238的数量实现。美国麻省理工学院在其论文中提出了降低低浓铀燃料中铀—238的惰性基质燃料元件，该种燃料元件可大幅降低MA产量，但由于铀—238数量的减少，燃料元件的多普勒系数很小，反应的固有安全特性降低。通过广泛的核数据分析，发现锝—99无论是在共振能区的能量区间还是共振峰值幅度方面均与铀—238具有较大的相似性，同时，锝—99的熔点为2172℃，可在燃料芯块烧制过程当中掺杂在燃料中。

发明内容

本发明的目的是针对惰性基质燃料元件的多普勒系数小、反应的固有安全特性低问题，而提供一种用锝—99替换部分铀—238，利用锝—99的共振特性增强燃料元件的多普勒系数，降低MA产量，同时可嬗变部分锝—99的掺杂锝—99的核燃料元件。

一种掺杂锝—99的核燃料元件，包括锆四合金包壳管、燃料芯块、芯块压紧弹簧、上端塞、下端塞，燃料芯块叠放入锆四合金包壳管中，用芯块压紧弹簧压紧后，包壳管上、下端口分别由上端塞、下端塞密封固定，其特征是燃料芯块为锝—99与二氧化铀的混合物，其中锝—99的核子密度与锝—99、二氧化铀中铀—238的核子密度之和的比值为10％～90％。

本发明利用锝—99的共振特性，采用锝—99部分替换低浓铀燃料中的铀—238，增强了多普勒系数，同时由于减少了铀—238，使得反应堆产生的次锕系核素减少，真正实现了减少核反应堆次锕系产量，确保负瞬发温度系数，嬗变核废物锝—99的三重目的，增强了反应堆的固有安全性。实验表明，采用锝—99掺杂后，对于初始富集度为0.711％、1.6％、2.4％、3.1％、3.9％、4.5％和5％的二氧化铀燃料，多普勒系数可增大到原来的2.89、1.90、1.68、1.28、1.25、1.72和1.30倍。分别选取0.711％、1.6％、2.4％、3.1％、3.9％、4.5％和5％7种不同富集度的低浓铀燃料多普勒系数基准题，将基准题中的铀—238以10％的锝—99替换，其多普勒系数与二氧化铀元件比较结果如下：

二氧化铀元件与10％锝—99掺杂比例元件的多普勒系数

括号内为10％锝—99掺杂比例元件的多普勒系数

附图说明

图1为本发明实施例结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种掺杂锝—99的核燃料元件，包括锆四合金包壳管3、燃料芯块4、芯块压紧弹簧2、上端塞1、下端塞5，燃料芯块4叠放入锆四合金包壳管3中，用芯块压紧弹簧2压紧后，包壳管3上、下端口分别由上端塞1、下端塞5密封固定，燃料芯块4为锝—99与二氧化铀的混合物，其中锝—99的核子密度与锝—99、二氧化铀中铀—238的核子密度之和的比值为10％～90％。燃料芯块4制备过程中，先将二氧化铀与锝—99粉末混合均匀，再将混合粉末压制成型，并在高温下烧结得到芯块胚料，最后通过磨削，将芯块胚料磨削成直径7.5～8.5㎜、高11.3～12.8㎜的圆柱形燃料芯块4。