[发明专利]一种利用压水堆嬗变长寿命高放核素的方法

说明书

技术领域

本发明涉及长寿命高放核素的嬗变技术领域，具体涉及一种利用压水堆嬗变长寿命高放核素的方法。

背景技术

核燃料在反应堆内辐照产出能量的同时，会造成两个方面的后果：一方面会形成新的裂变材料钚；另一方面生成具有超长寿命和高放射性的锕系核素和裂变产物。反应堆运行后乏燃料高放核素所引起的核扩散和废物安全处置问题使得核燃料循环的末端成为备受关注的核能发展的关键。

长寿命高放核废料的嬗变处置是实现基于“分离-嬗变”先进闭式燃料循环的核心技术。嬗变是指一种核素通过发生核反应，生成另外一种核素的过程。次锕系核素（MA）中的镎-237（²³⁷Np），镅-241（²⁴¹Am）,镅-243（²⁴³Am），锔-242（²⁴²Cm），锔-243（²⁴³Cm），锔-244（²⁴⁴Cm）等核素，发生（n，γ）俘获反应、（n，2n）阈能反应等嬗变反应，其产物依然是锕系核素，只有通过（n，f）裂变反应才能将该类核素有效嬗变。

长寿命裂变产物（LLFP）嬗变在通常的反应堆能谱范围内（包括聚变中子谱、裂变中子谱和热中子谱），主转化反应时（n，γ）俘获反应和（n，2n）阈能反应。利用阈能反应实现LLFP的有效嬗变，只能通过提高高能中子（＞10MeV）通量水平才能达到，由此可知LLFP的主要转化反应是俘获反应，经过一次或多次的俘获反应和衰变过程最终使得嬗变产物是稳定的、低放射性的核素。针对于核素的半衰期，核素在乏燃料组分中的产额，潜在生物危害，地质贮藏扩散风险，核素同位素分离需求及在现有嬗变装置进行嬗变的有效半衰期（半嬗比）六项评价分析标准，从核素嬗变的需求（半衰期，产额，放射性危害，风险），核素嬗变可行性（嬗变核素同位素分离需求）和嬗变能力（半嬗比）三个方面分析LLFP嬗变可行性。对于LLFP中的锝-99（⁹⁹Tc）和碘-129（¹²⁹I），由于具有长半衰期、较强的迁移能力及高放射毒性等特点，是乏燃料地址贮藏长期风险的主要贡献核素，是嬗变研究的重要对象。

针对于长寿命高放核素，主要的嬗变装置有：

1)热中子堆。主要是利用MA在热能区具有较大的俘获截面，利用堆内富余中子，MA发生俘获反应后生成较易裂变的锕系核素后再发生裂变反应以实现锕系核素的有效嬗变；对于LLFP核素，主要是利用该类核素在超热能区和热能区具有较大的俘获吸收截面有利于LLFP核素嬗变；

2)快中子堆。MA发生裂变的阈能约为几个兆电子伏的量级，借助快中子可直接使MA嬗变；对于LLFP，主要是将⁹⁹Tc和¹²⁹I等核素制作成慢化靶件，利用进行嬗变。

3)次临界驱动系统。包括聚变驱动次临界嬗变系统和加速器驱动次临界嬗变系统。主要也是装载MA和LLFP靶件，进行嬗变研究。

从以上可以看出，针对于MA嬗变，当前有效的方法是通过MA核素在热能区较大的中子俘获反应截面，发生多次俘获嬗变成为易裂变核素后发生裂变反应，以实现MA的嬗变；针对于LLFP嬗变，主要思想还是希望利用该类核素在热能区和超热能区较强的中子俘获吸收，实现核素的有效嬗变。因此，在现有热中子堆内可以实现长寿命高放核素的嬗变。

商用压水堆系统，其第三代堆型在世界范围内已具有百万堆年的运行历史，作为新一代的非能动系统的研发工作也日臻趋于成熟。基于当前混合氧化物燃料（MOX）在压水堆的广泛应用和研究，将MA等装载在堆内不仅有利于使长寿命锕系核素的有效嬗变，同时可以通过燃料设计，降低易裂变铀需求，优化组件内的功率分布；利用现有轻水动力堆进目前压水堆需要使用额外的中子吸收毒物（钆，硼等）进行堆内剩余反应性的控制，而LLFP在堆内嬗变需要消耗大量的中子，通过使用LLFP核素替代现有的中子吸收毒物，充分利用现有压水堆成熟的技术和核素在低能和中能下较高的中子俘获能力，因此在现役压水堆内进行LLFP核素嬗变是可行的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种利用压水堆嬗变长寿命高放核素的方法，通过嬗变靶件设计、嬗变组件设计使得装载长寿命高放核素的组件在满足压水核反应堆安全设计准则的基础上，能够抑制长寿命高放核素在燃料循环过程中积累，实现长寿命高放核废物在压水堆内的有效嬗变。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用压水堆嬗变长寿命高放核素的方法，