一種用于聚變裂變混合堆的新型包層燃料管理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于先進(jìn)核能系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于聚變裂變混合堆的新型包層燃料管理方法。
技術(shù)背景
[0002]核能是一種既清潔又經(jīng)濟(jì)的能源，有著巨大的發(fā)展?jié)摿?。為了?yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，核能的重要性越來越大。但是裂變核電站發(fā)展過程中引起了不容忽視的問題，如燃料短缺、高放射性廢料的處理、核輻射安全及核不擴(kuò)散問題。為了解決這些問題，聚變裂變混合堆提供了非常高競(jìng)爭(zhēng)力的解決方法。
[0003]聚變裂變混合堆是核能研宄的重要方向之一，其原理是利用聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子，在裂變包層中引起裂變反應(yīng)，來達(dá)到能量產(chǎn)生、核燃料增殖和核廢料嬗變的目的。其特點(diǎn)是在包層中放置裂變?nèi)剂?，用來?shí)現(xiàn)能量放大和中子倍增，故聚變裂變混合堆相對(duì)于純聚變堆只需要較低的等離子體堆芯參數(shù)和材料要求。在目前純聚變還需要較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展的情況下，發(fā)展聚變裂變混合堆能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聚變能的早期利用。另一方面，聚變裂變混合堆的中子源是平均能量為14MeV的聚變中子，中子能譜比常規(guī)輕水堆、采用相同冷卻劑的快堆的中子能譜硬，因此聚變裂變混合堆的核廢料嬗變的能力強(qiáng)。聚變裂變混合堆運(yùn)行在深度次臨界狀態(tài)，避免了發(fā)生超臨界事故的可能，保證了反應(yīng)堆的安全性。
[0004]聚變裂變混合堆的研宄最早開始于1954年，由美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的ImohofT領(lǐng)導(dǎo)，主要目的是為了增殖核燃料其后陸續(xù)開展了利用聚變裂變混合堆生產(chǎn)能量、嬗變核廢料的研宄工作。上世紀(jì)80年代后期，美蘇出于核不擴(kuò)散的考慮，提出停止研宄聚變裂變混合堆。1998年后，國(guó)際上又重新重視對(duì)聚變裂變混合堆的研宄，主要的研宄活動(dòng)集中于美國(guó)、日本和土耳其，主要集中在抑制裂變包層和快裂變包層方面，以及利用聚變裂變混合堆嬗變核廢料方面。
[0005]我國(guó)在聚變裂變混合堆方面的研宄起始于1980年，主要在中科院等離子體物理研宄所(ASIPP)，核工業(yè)西南物理研宄院(SWIP)、原子能研宄院(CIAE)以及中國(guó)工程物理研宄院(CAEP)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，重點(diǎn)開展核燃料增殖和核廢料嬗變方面的研宄。在“863”計(jì)劃的支持下，以ASIPP和SWIP為主的科研人員設(shè)計(jì)了以增殖核燃料為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)混合堆TETB, TETB-1I，商用混合堆TCB等一系列概念設(shè)計(jì)和改進(jìn)條件。后來相繼有實(shí)際了實(shí)驗(yàn)型增殖混合堆設(shè)計(jì)(FEB)和FEB-E?！?63”計(jì)劃結(jié)束后，國(guó)內(nèi)主要進(jìn)行了聚變裂變混合核廢料嬗變堆概念的研宄，期間主要的工作是由中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研宄所先進(jìn)核能研宄團(tuán)隊(duì)提出了一系列聚變裂變混合堆概念設(shè)計(jì)(FDS-1、FDS-SFB及FDS-MFX)。
[0006]從近期的國(guó)內(nèi)外聚變裂變混合堆研宄趨勢(shì)上可以看出，基于較為容易實(shí)現(xiàn)的等離子體堆芯技術(shù)和成熟的裂變電站技術(shù)發(fā)展聚變驅(qū)動(dòng)次臨界堆已經(jīng)成為新的研宄熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。為了早日實(shí)現(xiàn)聚變能的應(yīng)用，選用低聚變功率的堆芯作為混合堆包層的驅(qū)動(dòng)器更具現(xiàn)實(shí)可行性，但聚變裂變混合堆包層設(shè)計(jì)時(shí)卻面臨著以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵問題:
[0007](I)為了達(dá)到聚變裂變混合堆的設(shè)計(jì)目的，如產(chǎn)能發(fā)電、增殖核燃料或嬗變核廢料，包層燃料管理按照目前的一次通過方式，即包層燃料在一個(gè)壽期內(nèi)便卸料，包層燃料的利用效率(可用燃耗深度衡量)較低，從而導(dǎo)致聚變裂變混合堆的整體經(jīng)濟(jì)性較低。
[0008](2)混合堆包層如果僅采用單層結(jié)構(gòu)，即包層燃料中使用單種燃料(易裂變?nèi)剂?、核廢料或可裂變?nèi)剂?，都有著對(duì)聚變中子利用率不高的問題，比如易裂變?nèi)剂蠈?duì)快中子利率較低，核廢料和可裂變?nèi)剂蠈?duì)熱中子利用率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決問題:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于聚變裂變混合堆的新型包層燃料管理方法，內(nèi)外包層能夠通過轉(zhuǎn)換滑軌快速更換空間位置的方式，充分利用聚變快熱中子，解決了當(dāng)前聚變裂變混合堆包層燃料利用率較低的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)包層較高的燃耗深度，從而提高混合堆整體的經(jīng)濟(jì)性。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:一種用于聚變裂變混合堆的新型包層燃料管理方法，其特征在于:內(nèi)包層模塊(I)、外包層模塊(2)、屏蔽模塊(3)和環(huán)形屏蔽層(4)、徑向滑軌(5)及環(huán)向滑軌出)；所述的內(nèi)外包層模塊沿徑向布置，外包層模塊(2)安裝在內(nèi)包層模塊(I)外側(cè)；屏蔽模塊⑶填補(bǔ)內(nèi)包層模塊⑴和外包層模塊⑵間的空隙，環(huán)狀屏蔽層⑷布置在外包層模塊外側(cè)；徑向滑軌(5)布置在內(nèi)、外包層模塊與屏蔽層的連接處，環(huán)向滑軌(6)布置在環(huán)形屏蔽層(4)外側(cè)；
[0011]其中，當(dāng)聚變裂變混合堆運(yùn)行一段時(shí)間后，徑向滑軌(5)啟動(dòng)，首先將內(nèi)外包層模塊一起移出；然后環(huán)向滑軌(6)啟動(dòng)，將內(nèi)包層模塊(I)沿環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)包層尺寸的距離后停止；徑向滑軌(5)再次啟動(dòng)，將外包層模塊(2)沿徑向往堆芯移動(dòng)；移動(dòng)到原先內(nèi)包層的位置后停止；最后在原先外包層模塊的位置補(bǔ)充新的包層模塊，完成一次混合堆包層的燃料管理過程；
[0012]內(nèi)包層模塊⑴、外包層模塊(2)尺寸大小一致，其數(shù)量為24?32個(gè)模塊。數(shù)量為多少范圍。
[0013]屏蔽模塊(3)與最外層的環(huán)形屏蔽層(4)材料相一致，采用硼、石墨、富氫化合物的一種或幾種，其中硼質(zhì)量百分比為30%?60%，石墨質(zhì)量百分比為50%?80%，剩余部分使用富氫化合物。本發(fā)明具體實(shí)施可以在聚變驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)(FDS)的包層換料的燃料管理中應(yīng)用和加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界系統(tǒng)(ADS)的堆芯換料的燃料管理中應(yīng)用等。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0015](I)本發(fā)明利用雙層包層設(shè)計(jì)即內(nèi)包層模塊、外包層模塊，聚變反應(yīng)產(chǎn)生高能快中子先與內(nèi)包層模塊中的燃料進(jìn)行反應(yīng)，經(jīng)過多次碰撞后到達(dá)外包層模塊內(nèi)部的主要是熱中子。經(jīng)過一個(gè)燃耗壽期后外包層模塊替換內(nèi)包層模塊，新的包層模塊補(bǔ)充到外包層模塊，這樣包層中的燃料都會(huì)有快熱中子進(jìn)行反應(yīng)，從而能夠充分地將包層中的燃料利用。
[0016](2)本發(fā)明中的內(nèi)外包層能夠通過環(huán)向滑軌和徑向滑軌的配合，實(shí)現(xiàn)空間快速轉(zhuǎn)換；然后原先的內(nèi)包層模塊卸掉進(jìn)