[发明专利]一种低质子束流流强高效嬗变核废料的加速器驱动次临界反应堆的散裂靶

说明书

技术领域

本发明涉及核能技术领域，具体涉及一种低质子束流流强高效嬗变核废料的加速器驱动次临界反应堆的散裂靶设计方案。 

背景技术

世界和中国均面临能源危机和温室效应问题。为应对这一严峻局面，世界各国均非常重视发展可再生能源和新能源并开展了相关研究。综合所有相关因素后，核能影响环境程度最小，且核电厂能提供连续的电力需求，并不受气候影响，加之核燃料运输与储存方便、发电成本稳定、核电技术与产业化成熟等优势，核能被公认为是目前最有希望可大规模替代化石能源的一次能源，并得到大力发展。 

伴随核能快速发展而来的核废料问题，最受社会公众关注、最为迫切需要解决。核废料处理问题中，乏燃料中次锕系核素的处理问题一直是世界性的难题。随着我国经济的快速增长，能源需求尤其是核能需求急剧增加，带动了我国压水堆核电站装机容量的快速增长，核废料的累积量由此快速增加。根据我国核电的中长期规划，2020年我国核电运行装机容量将达到5800万千瓦，预计2020年当年我国乏燃料将达1450吨，届时我国乏燃料累积量将达到约1.5万吨，其中次锕系核素(MA)约12吨，钚约120吨，长寿命裂变产物(LLFP)约18吨。这些核废料寿命长、放射毒性大，不到核反应堆乏燃料总量的3％，却集中了乏燃料99％以上的放射性，对地球上的生命具有很大的危险性。面对这种严峻的局面，如何妥善处理高放核废料，使核废料最少化，以确保子孙后代的环境安全和我国核能的可持续发展，是一个必须解决的重大问题。国际上现有两种 主流的乏燃料处理管理技术路线，一种是以美国卡特政府为代表的“一次通过”循环策略，一种是以欧盟为代表的“闭式燃料”循环策略。“一次通过”循环方式指将卸载并冷却后的乏燃料经核化学处理工艺流程后所获得的高放核废料通过水泥或玻璃固化等方式包装，直接进行深地质处置。该处理方案工艺流程较简单，但面临百万年后由于地质运动或包装物破裂等原因导致的放射性释放风险以及铀、钚资源浪费问题。“闭式燃料”循环方式指采用后处理工艺流程分离并回收乏燃料中的铀和钚，所回收的铀和钚再返回到反应堆中进行循环使用。目前，国际上提出了基于“闭式燃料”循环的先进核燃料循环即分离-嬗变(P-T)战略，该技术管理路线是指通过采用化学或高温电化学等分离工艺，除对铀和钚回收利用外，将高放废料中的次锕系元素和长寿命裂变产物分离出来，利用嬗变装置中将长寿命高放废料转变为短寿命低放核素或稳定核素。 

先进核燃料闭式循环方案中，加速器驱动次临界堆(Accelerator Driven Sub-critical System，ADS)是目前致力于嬗变放射性核废料、有效利用核资源及产出能量的理想装置，具有良好的资源效益、环境效益、经济效益、安全效益和社会公众效应。国际原子能机构IAEA将ADS列入新型核能系统中，并称之为“新出现的核废料嬗变及能量产生的核能系统”。基于核废料嬗变相关理论，在低于现有技术极难达到的热中子通量10¹⁶n/cm²/s水平下，快中子适于嬗变MA，热中子则适于嬗变LLFP。ADS中散裂反应所产生的散裂中子和核燃料发生裂变反应产生的裂变中子属于快中子，这些中子的能量均大于MA的裂变阈，因此适于嬗变MA。上世纪80年代以后，由于技术的发展和嬗变核废料的紧迫性，国际上对使用ADS嬗变核废料的研究日趋活跃，特别是上世纪90年代Rubbia提出“能量放大器”概念以来，国际上各主要核电大国均对利用ADS嬗变核废料开展了研究，美国、欧盟、日本、俄罗斯和韩国等均提出了各自的国家计划 并制定了发展路线图，并以此开展相关研究。 

加速器驱动次临界反应堆ADS由外源驱动诱发裂变。因为次临界，仅靠ADS反应堆自身的裂变无法实现中子的链式反应自持。因此，次临界的ADS必须通过注入外源中子以维持其链式反应。ADS的外中子源是由高能质子打击散裂靶产生,外源中子主要分布于散裂靶。因此，ADS的外源相关效应与散裂靶密切相关。CERN的Kadi、Latin School of Chicago的Ciprian Zahan以及国内西北核技术研究所的万俊生、中国原子能科学研究院樊胜等人均开展了相应散裂靶设计优化工作。但截止目前为止，均没有发现有以嬗变性能为指标开展散裂靶的设计优化，且涉及到堆芯的此类相关文献中均未采用TRU燃料。 

发明内容