專利名稱:加速器驅(qū)動(dòng)的快-熱耦合次臨界反應(yīng)堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種用中子照射嬗變放射性廢物的裝置，具體涉及一種加速器驅(qū)動(dòng)
的次臨界反應(yīng)堆。
技術(shù)背景
在反應(yīng)堆的乏燃料中，存在著大量放射性物質(zhì)，毒性大，而且半衰期很長，很多可 長達(dá)104 107年，潛在的危害性極大。
國際上有兩種方案處理這些乏燃料，一種是以美國為首的所謂一次通過方式，即 乏燃料經(jīng)過較長時(shí)間的存放冷卻，作為高放廢物直接進(jìn)行深地質(zhì)埋藏；另一種是以法國等 國為首的將乏燃料經(jīng)過短時(shí)間的存放后，進(jìn)行后處理，回收鈾和鈈，將回收后丟掉的鈾和 鈈、全部其它錒系核素(簡稱MA)以及全部裂變產(chǎn)物(包括長壽命裂變產(chǎn)物，簡稱LLFP)作 為高放廢物經(jīng)固化進(jìn)行深地質(zhì)埋藏。盡管后一種方案比前一種方案風(fēng)險(xiǎn)小得多，它仍存在 著遠(yuǎn)期放射性風(fēng)險(xiǎn)問題，資源也存在一定的浪費(fèi)。
在《現(xiàn)代物理知識(shí)》1994年第5期，郁忠強(qiáng)在"能量放大器"一文中公開了西歐核 子中心主任、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者魯比亞(C.Rubbia)領(lǐng)導(dǎo)的小組所提出的一個(gè)提供干凈核能 的新概念利用高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器(能量1 1. 6GeV，平均流強(qiáng) 7mA)產(chǎn)生的高能質(zhì)子 束，在物質(zhì)中形成核級(jí)聯(lián)過程而產(chǎn)生大量的中子，天然釷(232Th)俘獲中子而轉(zhuǎn)變?yōu)榱炎冊?素233仏23力又裂變產(chǎn)生中子維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。他們將這個(gè)裝置稱為能量放大器。裝置啟動(dòng)后， 裂變元素在天然釷中的比例很快可以達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，形成一個(gè)長期穩(wěn)定的能量產(chǎn)出。裝置 運(yùn)行于次臨界狀態(tài)和相對(duì)高的中子通量( 1016cm—2 *s—0以確保增值過程的穩(wěn)定持續(xù)和設(shè) 備無臨界危險(xiǎn)。其廢料中長壽命的錒系元素很少，大大簡化了核廢料的處置難題，而且不產(chǎn) 生武器級(jí)的核燃料，避免了核擴(kuò)散的擔(dān)憂。這種用加速器加速的高能質(zhì)子與重靶核發(fā)生散 裂反應(yīng)產(chǎn)生的中子作為外中子源來驅(qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆的系統(tǒng)，國際上稱為ADS。但該文獻(xiàn)所 提供的ADS系統(tǒng)僅是一種新概念，在技術(shù)和工藝上有較大難度，因?yàn)榘茨壳暗募铀倨骷夹g(shù)， 要建一臺(tái)能量為1 1. 6GeV，平均流強(qiáng)達(dá)150mA的質(zhì)子加速器不是一件容易的事。中子通 量為1016cm—2 *s—1數(shù)量級(jí)的反應(yīng)堆工藝技術(shù)上也是一個(gè)新課題。另外，ADS如果用熱中子次 臨界反應(yīng)堆可產(chǎn)生核能，設(shè)計(jì)好可燒掉全部的LLFP，但不能燒掉MA ;ADS如果用快中子次臨 界反應(yīng)堆可產(chǎn)生核能，設(shè)計(jì)好可燒掉全部的MA，但不能完全燒掉LLFP，因?yàn)镸A的嬗變是靠 快中子而LLFP的嬗變是靠超熱中子?？傊?，兩種堆型(快中子反應(yīng)堆和熱中子反應(yīng)堆)各 有優(yōu)缺點(diǎn)。
另外，在中國專利03152870. 8中，中國科學(xué)院等離子體物理研究所公開了基于可 裂變材料中子增殖的次臨界核廢料處理與核燃料生產(chǎn)的方法，該方法是通過聚變反應(yīng)或者 高能質(zhì)子與靶材料發(fā)生的散裂反應(yīng)產(chǎn)生外源中子，這些外源中子進(jìn)入長壽命放射性錒系元 素處理區(qū)，與錒系元素處理區(qū)中錒系元素發(fā)生裂變反應(yīng)，同時(shí)與其中的可裂變钚239或鈾 233發(fā)生裂變反應(yīng)生產(chǎn)大量的新中子；這些中子部分進(jìn)入可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)中，與其中貧 鈾或者天然鈾或者天然釷發(fā)生中子俘獲反應(yīng)，生成可裂變的钚239或鈾233，以供給錒系元素處理區(qū)的再循環(huán)使用，或者輸出作其它用途；從可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)泄漏的中子進(jìn)入裂變 產(chǎn)物處理區(qū)，與其中混合在中子慢化劑中的放射性裂變產(chǎn)物發(fā)生俘獲反應(yīng)，使長壽命高毒 性的裂變產(chǎn)物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定無毒性或者短壽命低毒性的裂變產(chǎn)物，各個(gè)區(qū)中產(chǎn)生的熱量采用 冷卻劑冷卻，各區(qū)之間采用結(jié)構(gòu)材料分隔，整個(gè)系統(tǒng)采用屏蔽材料屏蔽。該技術(shù)方案相對(duì)于
魯比亞等人提出的概念而言更加細(xì)化，但依舊還只是一個(gè)概念，并存在如下問題l)在外 中子源產(chǎn)生區(qū)使用D-T聚變反應(yīng)堆或者由高能質(zhì)子散裂反應(yīng)提供外中子源，不僅成本高， 而且不易控制，難以實(shí)現(xiàn)。2)裂變產(chǎn)物處理區(qū)利用可裂變?nèi)剂显鲋硡^(qū)慢化后的低能中子與 裂變產(chǎn)物發(fā)生俘獲反應(yīng)來處理長壽命的裂變產(chǎn)物廢料。實(shí)際上，裂變產(chǎn)物處理區(qū)可利用的 低能中子已很少，能否達(dá)到預(yù)期的目的很難確定。另外，裂變產(chǎn)物處理區(qū)只能用于處理長壽 命的裂變產(chǎn)物廢料，不能產(chǎn)能，浪費(fèi)了燃料。 技術(shù)方案
本發(fā)明就是根據(jù)魯比亞(C. Rubbia)、中國科學(xué)院等離子體物理研究所等人所提供 的潔凈核能的概念，提供一種既能同時(shí)燃燒掉MA、LLFP，又能產(chǎn)能的快_熱耦合次臨界反應(yīng) 堆。
—種快-熱耦合次臨界反應(yīng)堆，從中心向外依次為靶區(qū)、快中子能譜區(qū)、熱中子能 譜區(qū)、反射層區(qū)、屏蔽層區(qū)、不銹鋼外殼。關(guān)鍵在于靶區(qū)是使用加速器加速的質(zhì)子與主靶核 發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生的中子作為中子源；快中子能譜區(qū)所使用的可裂變材料是天然鈾或低富 集度鈾；熱中子能譜區(qū)使用的是低富集度鈾，用以產(chǎn)能。同時(shí)，在快中子能譜區(qū)與熱中子能 譜區(qū)之間自然形成超熱中子區(qū)。
本發(fā)明所提供的的快-熱耦合次臨界反應(yīng)堆，其內(nèi)部為快中子次臨界反應(yīng)堆，其 外部是熱中子次臨界反應(yīng)堆，彌補(bǔ)了兩種堆型各自的缺點(diǎn)，用內(nèi)部的快中子次臨界反應(yīng)堆 來嬗變MA，用內(nèi)部的快中子次臨界反應(yīng)堆和用外部的熱中子次臨界反應(yīng)堆耦合形成的超熱 中子區(qū)來嬗變LLFP。另外內(nèi)部的快中子次臨界反應(yīng)堆還可對(duì)加速器產(chǎn)生的中子源起到放大 作用，這樣一來，外部的熱中子次臨界反應(yīng)堆就可得到比純外部的中子源要強(qiáng)的中子源來 驅(qū)動(dòng)，使熱中子次臨界反應(yīng)堆發(fā)出更多的核電或減輕對(duì)加速器的要求。快次臨界反應(yīng)堆作
為外中子源的放大器，可放大倍數(shù)為A^^，其中s為外中子源強(qiáng)度，1為中子在反應(yīng)堆中
的壽命，k為快次臨界反應(yīng)堆的有效增殖因子，用天然鈾為快區(qū)的k約為0. 5，則可放大外源 兩倍，如果功率一定，則可對(duì)加速器的速流降低要求1/2，可大大降低對(duì)加速器的要求。如果 利用低富集度鈾代替天然鈾，則可提高次臨界有效增殖因子ks，使外中子源的放大倍數(shù)更 大。
總之，本發(fā)明所提供的快-熱耦合次臨界反應(yīng)堆彌補(bǔ)了在ADS中的快中子次臨界 反應(yīng)堆和熱中子次臨界反應(yīng)堆兩種堆型在嬗變MA和LLFP各自的缺點(diǎn)并兼?zhèn)浒l(fā)電功能，發(fā) 電量的1/3可用于加速器的用電。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了 ADS使用低富集度鈾的要求。


圖1為裝置橫向剖面圖； 圖2為裝置縱向剖面圖。實(shí)施例
下面將結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步解釋。
如圖1所示，一種快-熱耦合次臨界反應(yīng)堆，從中心向外依次為靶區(qū)1、快中子能譜 區(qū)2、熱中子能譜區(qū)4、反射層區(qū)5、屏蔽層區(qū)6、不銹鋼外殼7。中間設(shè)置鉛緩存區(qū)8。快中 子能譜區(qū)2與熱中子能譜區(qū)4之間耦合形成超熱中子能譜區(qū)3。
如圖2所示，各區(qū)的結(jié)構(gòu)如下。
耙區(qū)1 :在快中子能譜區(qū)2的中心取出7根元件形成一個(gè)直徑為40 60mm，最佳 設(shè)計(jì)為50mm的空腔作為靶區(qū)，中子源鉛靶管長為500mm。若高能強(qiáng)流質(zhì)子加速器產(chǎn)生的能 量為1GeV，平均流強(qiáng) lmA的高能質(zhì)子束轟擊鉛靶將產(chǎn)生1. 2 1. 9X 109n/s的中子源。 快中子能譜區(qū)2 :所有元件裝在一個(gè)六面體的鋁塊內(nèi)，鋁塊直徑為195 220mm，最 佳設(shè)計(jì)為200mm。柵距為25mm，平均中子能量為700KeV。天然鈾或低富集度鈾燃料元件外 徑為22mm，芯體直徑為20mm，芯體長1000mm，總長1035mm，密度18. 6g/cm3。包殼材料為鋁。 燃料元件插在鋁件中，元件根數(shù)為264根。
熱中子能譜區(qū)4 :厚度為150mm，燃料元件插在聚乙烯慢化劑內(nèi)，按照三角形排列。 燃料元件使用富集度為3 5%的U02，元件外徑為8mm，芯體直徑為6. 55mm，芯體長700mm， 元件密度10. 4465g/cm3。燃料元件包殼厚0. 65mm，材料為Zr_2合金。每根元件芯重753g， 間距為12mm。元件根數(shù)根據(jù)需要而定，使Keff在0. 90 0. 98之間。
反射層區(qū)5:材料為聚乙烯，密度為0.937g/cm 徑向厚度〉15 25cm，軸向厚度 > 15 25cm。
屏蔽層區(qū)6 :含硼聚乙烯，厚度> 25cm。
不銹鋼外殼7 :厚10cm。
同時(shí)，在快中子能譜區(qū)2與熱中子能譜區(qū)4之間自然形成超熱中子區(qū)3，嬗變
本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，在快中子能譜區(qū)2除燃料元件外，用鋁模擬快區(qū)鈉冷 材料，在熱中子能譜區(qū)4除燃料元件外，用聚乙烯模擬慢化劑材料一水，結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用。不 僅實(shí)現(xiàn)了快-熱耦合，嬗變MA、 LLFP，還可產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的加速器驅(qū)動(dòng)潔凈核能 系統(tǒng)(即ADS)的概念。
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權(quán)利要求
一種快一熱耦合次臨界反應(yīng)堆，從中心向外依次為靶區(qū)(1)、快中子能譜區(qū)(2)、熱中子能譜區(qū)(4)、反射層區(qū)(5)、屏蔽層區(qū)(6)、不銹鋼外殼(7)，在快中子能譜區(qū)(2)與熱中子能譜區(qū)(4)形成超熱中子能譜區(qū)(3)，靶區(qū)(1)使用加速器加速的質(zhì)子與主靶核發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生的中子作為中子源；快中子能譜區(qū)(2)所使用的可裂變材料是天然鈾或低富集度鈾；熱中子能譜區(qū)(4)使用的是富集度為3～5％的UO2，其元件根數(shù)根據(jù)Keff在0.90～0.98之間的需要而定，其特征在于用超熱中子能譜區(qū)(3)嬗變LLFP。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界反應(yīng)堆。其從中心向外依次為靶區(qū)、快中子能譜區(qū)、熱中子能譜區(qū)、反射層區(qū)、屏蔽層區(qū)、不銹鋼外殼，特別是靶區(qū)使用加速器加速的質(zhì)子與主靶核發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生的中子作為中子源；快中子能譜區(qū)所使用的可裂變材料是天然鈾或低富集度鈾；熱中子能譜區(qū)使用的是富集度為3～4％的UO2；在快中子能譜區(qū)與熱中子能譜區(qū)自然形成超熱中子區(qū)，嬗變LLFP。該種次臨界反應(yīng)堆不僅實(shí)現(xiàn)了快-熱耦合，嬗變MA、LLFP，還可產(chǎn)能，真正實(shí)現(xiàn)了加速器驅(qū)動(dòng)潔凈核能系統(tǒng)的概念。
文檔編號(hào)G21G1/06GKCN1945751SQ200610145858
公開日2010年5月12日 申請日期2006年11月21日
發(fā)明者丁大釗, 史永謙, 夏普, 夏海鴻, 張巍, 曹健, 朱慶福, 權(quán)艷慧, 李義國, 李吉根, 王佐卿, 羅璋琳, 羅皇達(dá), 趙志祥 申請人:中國原子能科學(xué)研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (2), 非專利引用 (6),