[发明专利]一种基于混合能谱的高效核废料嬗变次临界堆芯

说明书

技术领域

本发明属于放射性核废物处理技术领域，具体涉及一种用于高放核废料嬗变的反应堆堆芯。

背景技术

核废料处理问题，尤其是长寿命核废料的最终处理是一个世界性难题，目前各国都没有确定的处置方案。随着我国压水堆核电站装机容量的快速增长，核废料的积累量将快速增加。这些核废物寿命长、放射毒性大，对人类环境构成长期危害。如何实现废物最少化，最大限度地减少核电站运行产生的高放废物的体积及其放射毒性，并将高放废物安全处置，使之可靠地与生物圈长期隔离，确保子孙后代的环境安全，是关系到核能可持续发展和影响公众对核能接受度的关键问题之一。

目前，国际上有两种乏燃料处理方案，分别是以美国为代表的“一次通过”方式和以法国等国为代表的“闭式循环”方式。“一次通过”方式是将乏燃料存放冷却后直接进行深地填埋；“闭式循环”方式是将乏燃料进行后处理，回收铀和钚后将剩余的产物经过固化后进行深地填埋。这两种方法都没有对高放核废料进行实质性的处理，都存在着远期放射性风险问题，资源也存在一定的浪费。“分离-嬗变”法是核废料处理的一种新途径，即通过化学分离把高放射性废物中的次锕系核素(简称MA)和长寿命裂变产物(简称LLFP)分离出来，利用核反应装置(如反应堆，加速器)把长寿命核素转变成短寿命核素或稳定核素。现有研究成果表明，MA适合采用快中子嬗变，LLFP适合采用热中子嬗变。

加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System，ADS)是目前致力于嬗变放射性核废物、有效利用核资源及产出核能量的理想装置。国际原子能机构(IAEA)把ADS列入新型核能系统中，并称之为“新出现的核废物嬗变及能量产生的核能系统”。ADS嬗变系统中由散裂反应产生的散裂中子和由燃料发生裂变反应产生的裂变中子均属于快中子，适合于嬗变MA。在现有的ADS嬗变系统概念设计中，用于嬗变MA的有美国的ATW计划、欧盟的CDT计划(基于MYRRHA/XT-ADS计划)、日本的OMEGA计划和韩国的HYPER计划。

在韩国的HYPER计划中，采用快中子谱堆芯，通过在嬗变MA的堆芯内设置LLFP燃料组件实现同时嬗变LLFP的功能。LLFP燃料组件中采用石墨作为慢化层。但LLFP燃料组件中石墨的厚度有限，HYPER计划中采用LLFP燃料组件的方案的中子慢化效果有限，能否达到嬗变LLFP的预期目的还有待验证。

在中国专利CN 1945751B中，中国原子能科学研究院公开了一种加速器驱动的快-热耦合次临界反应堆。该反应堆通过在快中子能谱区与热中子能谱区形成超热中子能谱区，并利用超热中子能谱区嬗变LLFP。在该方案中的快中子能谱区采用钠(实施例中采用铝模拟)作为冷却剂，热中子能谱区采用水(实施例中采用聚乙烯模拟)作为慢化剂，快谱区和热谱区燃料组件采用不同的结构布置形式。在同一个反应堆中同时存在两种不同的冷却剂，并且同时存在两种不同布置形式的燃料组件，极大地增加了系统的复杂性，对反应堆设计和运行提出来更高的要求。而且，钠和水接触将发生剧烈的化学反应，这将存在严重的安全隐患。

在中国专利03152870.8中，中国科学院等离子体物理研究所公开了基于可裂变材料中子增殖的次临界核废料与核燃料生产的方法，该方法可同时实现嬗变MA，核燃料增殖和嬗变LLFP的功能。但该方法中从可裂变燃料增殖区慢化后的低能中子很少，对于LLFP的嬗变效果很难确定。

在上海交通大学核科学与工程学院提出的混合能谱超临界水堆中，提出了混合能谱的概念，并利用其进行产能和增殖，提高反应堆的经济效益。该方案的反应堆属于快中子反应堆，若用于核废料嬗变，将会是使反应堆动态参数(多普勒系数，空泡系数，缓发中子份额等)变差，控制棒效率变差，影响反应堆的安全性。因此该方案不适合用于核废料嬗变。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于混合能谱的高效率核废料嬗变次临界堆芯，在嬗变区内形成混合能谱，根据快中子和热中子的分布情况分别设置了的TRU燃料区和LLFP燃料区，两个燃料区采用相同的燃料组件形式，利用混合能谱中的快中子嬗变MA，利用混合能谱中的热中子嬗变LLFP，实现在同一个堆芯同一个嬗变区内同时嬗变MA和LLFP的功能，中子利用率高，堆芯结构简单，具备高效嬗变核废料的功能，并且采用液态铅铋合金作为冷却剂将嬗变区产生的裂变能带出堆芯，进行产能。