[实用新型]一种可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯

说明书

本实用新型公开了一种可同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的快热混合能谱临界堆芯，从堆芯中心向外依次为次锕系核素嬗变区、可裂变燃料增殖区、长寿命裂变产物嬗变区、反射层区和屏蔽层区，次锕系核素嬗变区以MOX和MA的混合物作为燃料；可裂变燃料增殖区以MOX作为燃料；长寿命裂变产物嬗变区以UO₂和LLFP混合物为燃料，在燃料组件壁和燃料棒包壳内增加石墨慢化层；反射层和屏蔽层由石墨、碳化硼和结构材料组成。堆芯的高能中子在次锕系核素嬗变区嬗变MA,在可裂变燃料增殖区实现核燃料的增殖，进入长寿命裂变产物嬗变区时被燃料组件壁和燃料棒包壳中的石墨层慢化为低能中子，可有效嬗变LLFP，提高中子的利用率，产能的同时实现嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物。

技术领域

本实用新型属于核工程技术领域，具体涉及一种用于同时嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的临界反应堆堆芯。

背景技术

核电的大力发展给人类提供了大量的清洁能源，同时也带来了许多的社会和环境问题。其中最亟待解决的是核电厂运行产生的大量高放废物，如果处置不当会对人类和地球其他生物造成难以预料的放射性危害。特别是乏燃料中的长寿命高放废物，包括Np、Am和Cm等次锕系核素(简称MA)以及⁹⁹Tc和¹²⁹I等长寿命裂变产物(简称LLFP)，不仅制约着核能的发展，而且对人类构成长期危害。

国际上目前有三种建议的核废料处理方案，包括“一次通过”、“闭式循环”和“分离—嬗变”。“一次通过”是指乏燃料从反应堆卸出后经冷却再深埋地下，“闭式循环”是指先将乏燃料短暂冷却后进行后处理，回收其中的铀和钚，然后将其余的乏燃料固化深埋地下。这两种方案虽然成本低但具有很大的不确定性，一方面造成了资源的浪费，另一方面这些乏燃料随时都有可能再进入生物圈循环，存在着远期放射性风险问题。“分离—嬗变”是指通过化学方法将乏燃料中的高放核废料包括次锕系核素(简称MA)和长寿命裂变产物(简称LLFP)分离出来，通过发生中子核反应,主要是中子俘获反应(少量锕系重同位素可以发生裂变反应)，将这些长寿命高放射性核素转变为短寿命核素或者稳定核素。

研究结果显示，MA具有裂变阈，在1MeV以上才能明显的裂变截面，在快中子能谱下具有较大的裂变俘获比，嬗变MA需要消耗大量的高能中子，因此MA适合采用快中子堆嬗变。而LLFP需要嬗变的核素(主要有⁹⁹Tc和¹²⁹I等)不同于MA核素，这些长寿命裂变产物的热中子反应截面比快中子反应截面高一个量级，因此LLFP适合采用热中子堆嬗变。

在中国的示范快堆(CDFR)研究中，采用钠冷快中子谱堆芯，有人提出将LLFP嬗变组件布置在MA焚烧快堆的反射层外层区，利用泄漏中子进行LLFP的嬗变。虽然这种布置可以有效的实现中子热化，但单次放置的LLFP嬗变组件有限，只有一层，远远不能满足嬗变需求；且LLFP嬗变会一直消耗中子，反应截面较少，需要较高的中子通量才能实现高效率嬗变，泄漏区中子通量水平能否保证达到较高的嬗变效率还需要进一步验证。

在中国专利03152870.8和中国专利CN 102623078A中，中国科学院等离子体物理研究所和中国科学院合肥物质科学研究院分别公开了一种基于可裂变材料中子增殖的次临界核废料处理与核燃料生产的方法和系统和一种基于混合能谱的高效核废料嬗变次临界堆芯，均可以实现同时嬗变MA和LLFP的功能。但这些次临界系统都需要由高能质子与靶材料发生散裂反应或者聚变反应来提供外源中子，目前质子打靶技术和聚变技术都不能提供稳定的外源中子，且这两种技术成本较为昂贵，相关技术有待进一步研发。

实用新型内容