[发明专利]一种多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯

说明书

技术领域

本发明涉及行波式焚烧快堆的设计技术，具体涉及一种多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯设计方案。

背景技术

行波式焚烧快堆不同于现有商业化的堆，它可以通过对抑制堆芯燃料的分布和运行，核燃料可以从一端富集启动点燃，裂变产生的多余中子将周围不能裂变的U-238转化成Pu-239，当达到一定浓度之后，形成裂变反应，同时开始焚烧在原位生成的燃料，形成行波。行波以增殖波先行焚烧波后续，一次性装量可以连续运行数十年甚至上百年。除最初的启动源需要浓缩铀，其他所有燃烧都可以来自天然铀或压水堆卸出的贫铀，因此运行中不需要分离浓缩。形象的说，行波堆像“蜡烛”，用火柴点燃后逐渐烧尽，并可以点燃其他堆芯。

理论上，行波快堆具有简化燃料处理流程和提升快堆防扩散能力等显著特点，但该项技术要达到成熟化；还需要燃料材料等一系列重大技术问题的突破，这将是一个较长的过程，并且结果存在一定的不确定性。

行波堆的堆芯设计是行波堆关键技术之一，由于一方面行波堆运行需要达到比较深的燃耗深度，深燃耗运行过程中堆芯主要性能参数随时间将产生明显的变化，功率分布等分布性参数将会产生明显“漂移”的趋势。另一方面由于材料工艺水平限制，峰值燃耗水平将限制行波堆的运行参数，需要在初始的堆芯设计优化阶段，充分考虑燃耗及结构材料dpa的展平和优化。另外，由于行波堆全寿期不换料，增加了堆芯物理、热工、力学等各种设计限制相互关联和制约，极大增加了设计难度。

发明内容

本发明的目的是在充分考虑工艺水平限制条件的前提下，借鉴传统快堆的设计方法，提供一种多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯设计方案，实现行波式焚烧快堆堆芯性能的优化。

本发明的技术方案如下：一种多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，包括点火区和增殖区，其中，所述的点火区位于堆芯轴向的中间位置，在点火区的轴向两端分别设置所述增殖区；所述点火区分为内点火区、外点火区和内区中心区，所述外点火区位于所述内点火区的径向外侧，所述内区中心区位于所述内点火区的轴向中间位置；所述增殖区分为内增殖区、外增殖区，所述外增殖区位于所述内增殖区的径向外侧；所述点火区的燃料采用U-Pu-10Zr合金，内点火区燃料的有效密度小于外点火区燃料的有效密度；所述内增殖区的燃料采用天然铀U-10Zr合金，所述外增殖区的燃料采用模拟的乏燃料组成的HM-10Zr合金，内增殖区燃料的有效密度小于外增殖区燃料的有效密度，且大于外点火区燃料的有效密度。

进一步，如上所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其中，所述的内点火区燃料中Pu占重核的质量份额为14.1％，所述外点火区和内区中心区燃料中Pu占重核的质量份额为12.6％。

进一步，如上所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其中，所述内点火区燃料的有效密度为62％TD，所述外点火区燃料的有效密度为68％TD，所述内增殖区燃料的有效密度为70％TD，所述外增殖区燃料的有效密度为78％TD。

进一步，如上所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其中，所述的增殖区的轴向外侧以及点火区和增殖区的径向外侧分别设有不锈钢反射层组件。

进一步，如上所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其中，堆芯的运行模式为：首次装载的堆芯经过一定时间的运行后，增殖行波已经明显移出点火区，将点火区深度焚烧的乏燃料进行处置，并将增殖过的可转换材料作为新的点火区，在原增殖区的轴向两端添加新的增殖区材料，从而充分发挥行波堆稳定阶段焚烧的优势，并且降低后续行波堆启动对于易裂变材料的需求。

本发明的有益效果如下：本发明所提供的行波堆多种分区设计结构，可以有效优化行波堆的堆芯性能，降低行波堆对于燃料材料极深燃耗的需求，充分结合现实工艺水平实现行波式的增殖焚烧运行快堆设计；一般的行波堆最大的燃耗需要达到50at.％，包壳最大辐照损伤在800dpa以上，应用本发明的设计可以将行波堆的峰值燃耗水平降低至30at.％以下，峰值辐照损伤水平降低至500dpa以下；通过本发明的分区设计，可以降低燃料组件功率随着燃耗时间的变化，燃料组件功率在运行寿期内变化小于10％，易于实现固定流量分配的热工水力学设计，使得堆芯组件出口温度在运行寿期内变化在一个可接受的范围内。

附图说明

图1为添加可燃毒物对于运行过程中反应性变化的影响示意图；

图2为不同点火区材料对于运行过程中反应性变化的影响示意图；

图3为不同增殖区材料对于运行过程中反应性变化的影响示意图；