[发明专利]一种压力管式长寿命裂变产物嬗变的次临界包层

说明书

技术领域

本发明属于长寿命裂变产物嬗变技术领域，具体涉及一种压力管式长寿命裂变产物嬗变的次临界包层。

背景技术

聚变驱动次临界混合堆由聚变堆芯和裂变包层组成，靠聚变堆芯的氘氚反应产生中子源驱动裂变包层维持稳定链式裂变反应。由于裂变包层中裂变材料对聚变中子和能量的倍增作用，堆芯所需要的聚变技术要求远远小于纯聚变堆，所以被普遍认为是实现聚变能早期应用的有效途径。为了验证全尺寸可控核聚变技术的可行性，国际热核聚变试验反应堆(ITER)正在建设当中，并预计在2035年左右完成试验。如果混合堆聚变堆芯的设计参数和技术要求在ITER的范围内，就可以在完成ITER试验后和示范电站DEMO同步规划实施，以实现聚变能的早日应用。以ITER类型托卡马克作为聚变中子源的混合堆包层设计受到广泛的关注。

混合堆的裂变包层处于次临界状态，配合使用不同裂变燃料和冷却剂可以实现不同的功能，不同的国家根据本国的国情也开展了多种不同目的的设计工作。在嬗变长寿命裂变产物(简称LLFP)方面，日本和中国都做过一些研究。日本是一个核电非常发达国家，核电的装机量比较大，面临着铀资源短缺和核废料过多的问题。目前MOX燃料已经在日本的核电厂得到成功的使用，使用MOX燃料可以消耗掉过剩的工业级的钚，提高铀资源的利用率，降低核废料的放射性水平和核扩散的危险。日本的混合堆设计多是使用MOX燃料，采用轻水冷却，焚烧过剩的工业级的钚，提高铀资源的利用率，同时在燃料中添加一定量的LLFP，以实现LLFP的嬗变。但是日本的设计忽略了一些工程问题，仅是基于均匀的材料进行初步的中子学评估。由于化石燃料的逐步短缺，并受减少温室气体排放量的压力，中国制定了非常积极的核电计划，在不远的将来中国也会面临核废料过多的问题。中国科学院等离子体物理研究所提出的FDS-I混合堆中设计了LLFP的嬗变功能，FDS-I的包层设计采用第四代反应堆中的熔盐堆技术，将LLFP的化合物加工成石墨球悬浮于冷却剂LiPb中。目前包括熔盐堆在内的第四代反应堆技术仍在研究设计当中，很少有相关的运行经验，如果在混合堆中使用会进一步增加混合堆的设计，建造，运行成本。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种压力管式长寿命裂变产物嬗变的次临界包层，能够有效嬗变长寿命裂变产物，且有效降低包层的设计，建造，运行成本。

本发明的设计思想为：为了有效地嬗变LLFP，裂变包层要有高的中子通量，较高的中子通量可以使裂变包层产生可观的功率输出，本发明中裂变包层的功率设置为3000MW。ITER的聚变功率设计值是500MW，要实现裂变包层3000MW的热功率输出，裂变包层的能量放大倍数要大于6才能使对聚变堆芯的要求在ITER的设计范围之内。能量放大倍数的定义为裂变包层的功率除以聚变堆芯的功率。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种压力管式长寿命裂变产物嬗变的次临界包层，从内到外依次包括第一壁3、嬗变区4、结构壁5、氚增殖区6和屏蔽层7，所述嬗变区4采用高压轻水冷却，且嬗变区4采用压力管式燃料组件8。

所述嬗变区4布置一排压力管式燃料组件8。

所述压力管式燃料组件8包括外层的压力管壁11、布置在压力管内中心位置的嬗变靶件9以及间隙排布在嬗变靶件9周围的燃料棒10。

所述燃料棒10采用铀钚锆金属合金U-Pu-Zr。

所述铀钚锆金属合金U-Pu-Zr中的钚含量为15％。

所述第一壁3的厚度为20mm。

所述氚增殖区6的氚增殖剂为Li₄SiO₄，Li₄SiO₄的体积填充率为60％。

所述Li₄SiO₄中⁶Li的富集度设置为90％。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：