[发明专利]一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯

说明书

技术领域

本发明涉及一种加速器驱动次临界嬗变堆芯，具体涉及一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯。

背景技术

核废物最少化是核能可持续发展必须解决的关键问题之一。近几十年来，核能界一直在探索次锕系核素（MA）和长寿命裂变产物（LLFP）的最终处理办法，经过比较分析，找到核废物核素最终处理的办法就是分离与嬗变。

加速器驱动次临界系统（ADS）由于其固有安全性以及在嬗变核废物方面的优势，其工业前景得到普遍认可，成为核废物处理中热门的新型反应堆之一。当前，国际上正在研制的ADS主要包括以下四种方案：

A.美国阿贡国家重点实验室嬗变MA的熔盐堆方案；

B.欧洲的EFIT无束窗，嬗变MA的氧化物陶瓷燃料的方案；

C.日本的OMEGA计划中嬗变MA的氮化物燃料的方案；

D.韩国的快热耦合嬗变MA和LLFP的金属燃料方案。

方案A中使用熔盐燃料，其腐蚀性很强，燃料的净化提纯难度大。

方案B中MA的年嬗变率比较低，仅在4%左右，而且对于氧化物燃料，虽然其加工工艺比较成熟，但热力学性能一般。

方案C中MA的嬗变率高，但是需要富集90%以上的¹⁵N，燃料制造成本高。

而在方案D中，对于嬗变MA的燃料是合金燃料，该种燃料在高温化学处理时的相容性很好，而且能满足深燃耗的要求以及提供更硬的快中子能谱，更有利于提高MA的嬗变率，但是方案D为快热耦合的系统，在快区中的MA嬗变率并不高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯，本发明堆芯中子通量密度大，中子利用率高，堆芯结构简单，MA嬗变效率高。

本发明的设计思想为：利用快中子谱适合MA嬗变的特点，结合金属燃料能使堆芯能谱更硬的优点，提供了一种采用能满足加速器驱动次临界系统对燃料抗辐照和深燃耗要求的弥散体金属燃料的嬗变堆芯，并通过调整堆芯活性区的高度、外中子源与堆芯活性区的轴向相对位置等方法对堆芯进行优化，提高外中子源的利用效率，从而降低加速器质子束流流强，即降低了加速器驱动次临界系统对加速器技术的要求。通过对堆芯燃料区进行分区设计，展平堆芯径向功率峰。最后得到一个优化了的采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯，从堆芯中心向外依次包括外中子源区1，缓冲区2、燃料区、LBE反射层区5、不锈钢反射层区6和屏蔽层区7，所述燃料区从内到外分为2～4区，每个燃料区中各装载多个结构、数量以及尺寸相同的燃料组件10，所述燃料组件10由多个三角形排列的燃料棒组成，所述燃料棒的材料为(TRU-10Zr)-Zr弥散体金属，所述燃料区中燃料棒材料中的钚Pu含量从内到外依次增加。

所述燃料区从内到外分为两个区，分别为燃料内区3和燃料外区4。

所述燃料区采用铅铋合金LBE作为冷却剂。

所述燃料组件10为无导向管六棱柱燃料组件。

所述外中子源区1放置一个液态铅铋合金LBE散裂靶。

所述缓冲区2的材料为铅铋合金LBE。

所述铅铋合金LBE反射层区5由一层铅铋合金LBE反射层组件组成，材料为不锈钢和铅铋合金LBE，不锈钢和铅铋合金LBE的体积百分比分别为80%和20%。

所述不锈钢反射层区6由一层不锈钢反射层组件组成，材料为不锈钢和铅铋合金LBE，不锈钢和铅铋合金LBE的体积百分比分别为40.31%和59.69%。

所述屏蔽层区7由两层屏蔽层组件组成，材料为碳化硼、不锈钢以及铅铋合金LBE，碳化硼、不锈钢和铅铋合金LBE的体积百分比分别为49.35%、31.97%和18.68%。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明燃料区燃料棒的材料采用(TRU-10Zr)-Zr弥散体金属，弥散体金属燃料是从合金燃料发展而来，其除了拥有合金燃料的优点外，还能够克服合金燃料的某些缺点，比如在受辐照后的抗腐蚀性、深燃耗稳定性以及燃料的膨胀等方面性能更好。为堆芯提供更硬的中子能谱，有利于MA的嬗变，年嬗变效率高达15%左右，高于日本的方案年嬗变率10%。

2、对堆芯燃料区进行分区布置，各区Pu含量成一定的比例，在满足安全的条件下，功率峰密度小，最大值不超过450W/cm³。