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1、(10)申请公布号 CN 103093837 A (43)申请公布日 2013.05.08 CN 103093837 A *CN103093837A* (21)申请号 201310014692.0 (22)申请日 2013.01.15 G21C 1/30(2006.01) G21C 3/02(2006.01) G21F 9/28(2006.01) (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁路 28 号 (72)发明人 吴宏春 李勋昭 郑友琦 (74)专利代理机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 代理人 何会侠 (54) 发明名称 一种采用弥散体金属燃料的加速器。
2、驱动次临 界嬗变堆芯 (57) 摘要 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， 缓冲区、 燃料区、 LBE 反射层区、 不锈钢反 射层区和屏蔽层区， 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， 所述燃料组件由多个 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 ； 本发明 燃料区燃料棒的材料采用 (TRU-10Zr)-Zr 弥散体 金属， 为堆芯提供更硬的中子能谱， 有利于 MA 的 嬗变，。
3、 年嬗变率高达 15% 左右， 高于日本的方案年 嬗变率 10% ； 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。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103093837 A CN 103093837 A *CN103093837A* 1/1 页 2 1. 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。
4、） ， 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） ， 其特征在于 ： 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。 2. 根据权利要求 1 所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯， 其 特征在于 ： 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） 。 3。
5、. 根据权利要求 1 所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯， 其 特征在于 ： 所述燃料区采用铅铋合金 LBE 作为冷却剂。 4. 根据权利要求 1 所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯， 其 特征在于 ： 所述燃料组件 （10） 为无导向管六棱柱燃料组件。 5. 根据权利要求 1 所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯， 其 特征在于 ： 所述外中子源区 （1） 放置一个液态铅铋合金 LBE 散裂靶。 6. 根据权利要求 1 所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯， 其 特征在于 ： 所述缓冲区 （2） 的材料为铅铋合金 L。
6、BE。 7. 根据权利要求 1 所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯， 其 特征在于 ： 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%。 8. 根据权利要求 1 所述的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯， 其 特征在于 ： 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%。 9. 根据权利要求 1 所述的一。
7、种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯， 其 特征在于 ： 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%。 权 利 要 求 书 CN 103093837 A 2 1/3 页 3 一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯 技术领域 0001 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 0002 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。
8、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。 0003 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 ： 0004 A. 美国阿贡国家重点实验室嬗变 MA 的熔盐堆方案 ； 0005 B. 欧洲的 EFIT 无束窗， 嬗变 MA 的氧化物陶瓷燃料的方案 ； 0006 C. 日本的 OMEGA 计划中嬗变 MA 的氮化物燃料的方案 ； 0。
9、007 D. 韩国的快热耦合嬗变 MA 和 LLFP 的金属燃料方案。 0008 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。 0009 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。 0010 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。 0011 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。
10、快热耦合的系统， 在快区中的 MA 嬗变率并不高。 发明内容 0012 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。 0013 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。
11、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。 0014 为了达到上述目的， 本发明采用如下技术方案 ： 0015 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， 说 明 书 CN 103093837 A 3 2/3 页 4 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 。
12、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。 0016 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。 0017 所述燃料区采用铅铋合金 LBE 作为冷却剂。 0018 所述燃料组件 10 为无导向管六棱柱燃料组件。 0019 所述外中子源区 1 放置一个液态铅铋合金 LBE 散裂靶。 0020 所述缓冲区 2 的材料为铅铋合金 LBE。 0021 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。
13、钢和铅铋合金 LBE 的体积百分比分别为 80% 和 20%。 0022 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%。 0023 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%。 0024 本发明和现有技术相比， 具有如下优点 ： 0025 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。
14、 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%。 0026 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。 0027 3、 对堆芯和外中子源区散裂靶进行优化， 包括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， 使得系统的外中子源利用效率高。 0028 4、 本发。
15、明堆芯在整个运行时期内， 系统的燃耗反应性变化稳定， 所需质子束流流 强小且稳定。 0029 本发明外中子源使用由高能的质子束轰击重核素靶件发生散裂反应而产生的散 裂中子 ； 散裂中子能谱硬， 驱动燃料区中燃料发生裂变， 产生更多的中子 ； 中子到达 LBE 反 射层区和不锈钢反射层区被反射回来， 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， 并且采用铅铋合金 LBE 作为冷却剂将燃料区产生的能量带出堆芯， 同时 进行产能。 附图说明 0030 图 1 是本发明堆芯的径向布置图。 0031 图 2 是本发明堆芯的轴向布置图。 0032 图 3 是本发明燃料组件的横。
16、截面图。 具体实施方式 0033 下面结合附图和具体实施方式对本发明结构进行详细说明。 说 明 书 CN 103093837 A 4 3/3 页 5 0034 如图 1 所示， 本发明一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯， 以两区的燃料区为例， 从堆芯中心向外依次包括外中子源区 1， 缓冲区 2、 燃料内区 3、 燃 料外区 4、 LBE 反射层区 5、 不锈钢反射层区 6 和屏蔽层区 7， 堆芯总高度为 290cm， 直径为 359.4cm, 其中活性区高度为 110cm， 直径为 226.8cm。 0035 如图2所示， 燃料内区3和燃料外区4的轴向下端为50cm高的不锈钢反射。
17、层6， 轴 向向上依次为 110cm 高度的气室 8、 20cm 高度的不锈钢反射层 6。外中子源区 1 提供外中子 源驱动燃料内区 3 和燃料外区 4 中的燃料发生裂变反应， 产生的能量由燃料区的 LBE 冷却 剂带出堆芯。外中子源区 1 放置一个直径为 38.8cm， 高为 130cm 的液态铅铋合金 LBE 散裂 靶， 散裂靶上部与直径为 10cm， 高为 160cm 的质子束导管 9 相连， 外中子源区 1 与质子束导 管 9 的连接处可选用有束窗或无束窗， 有束窗时， 束窗形状为半椭圆体， 高能强流直线质子 加速器产生的能量为 1.5GeV， 半径为 10cm， 沿半径呈抛物线分布的。
18、质子束通过质子束导管 9 轰击外中子源区 1 中的液态 LBE 散裂靶， 产生高能散裂中子， 作为驱动燃料裂变的外源中 子。 0036 缓冲区 2 的作用是将外中子源区 1 与堆芯其它部分中的液态铅铋合金隔离。 0037 反射层区 5 和不锈钢反射层区 6 分别由一层 LBE 反射层组件和 1 层不锈钢反射层 组件组成， 两种反射层主要是由液态 LBE 和结构材料组成， 将燃料区中的中子反射回去。 0038 屏蔽层区 7 由两层屏蔽层组件组成， 材料为碳化硼和 LBE， 主要是吸收从反射层泄 漏出来的中子， 减少堆芯的中子泄漏。 0039 燃料内区 3 和燃料内区 4 各装载 72 个无导向管。
19、六棱柱燃料组件 10。 0040 如图 3 所示， 每个无导向管六棱柱燃料组件 10 由 271 个燃料棒组成， 三角形排列。 无导向管六棱柱燃料组件 10 高度为 290cm， 组件间距为 175.8mm， 燃料棒芯块 11 的直径为 6mm， 燃料棒的外径 7.12mm， 棒间距 10.68mm， 燃料棒包壳 12 的厚度 0.56mm， 包壳 12 的材料 为 HT9 不锈钢， 燃料棒周围为铅铋合金冷却剂 13。 0041 本发明的工作原理为 ： 由直线质子加速器产生的 1.5GeV 的质子束通过质子束导 管 9 轰击外中子源区 1 中的铅铋合金 LBE 散裂靶， 从而在外中子源区 1 。
20、中发生散裂反应并 产生高能散裂中子 ； 高能散裂中子通过缓冲区 2 到达燃料内区 3 和燃料外区 4， 驱动燃料内 区 3 和燃料外区 4 中燃料发生裂变， 裂变产生的气体进入气室 8， 降低燃料棒内压。燃料的 裂变即实现了核废物的嬗变， 并利用燃料裂变释放的能量进行产能。 0042 本发明提供的一种采用弥散体金属燃料的加速器驱动次临界嬗变堆芯， 其堆芯的 热功率为1000MW， 从次临界系统的安全方面考虑， 初始无源有效增殖系数keff为0.97左右， 为了提高外源的利用效率， 外中子源区1的散裂靶高度为130cm， 堆芯活性区高度为110cm。 为了使得初始无源有效增殖系数keff为0.97， 调节燃料内区3和燃料外区4中的燃料组成， 设计不同的燃料装载案例， 得到一个最优的燃料装载方案， 在满足一定的嬗变能力 （高于国 际上其它的堆芯方案） 条件下， 使得燃耗反应性的变化尽量小， 质子束流流强小且稳定， 降 低了直线质子加速器的要求， 有利于实现 ADS 工业化。 说 明 书 CN 103093837 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103093837 A 6 2/2 页 7 图 3 说 明 书 附 图 CN 103093837 A 7 。