本發(fā)明涉及核工程技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有嬗變次錒系核素和展平功率功能的mox燃料組件。

背景技術(shù)：

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，對(duì)能源的需求大大增加，特別是在簽署巴黎協(xié)議之后，發(fā)展綠色能源已成為重中之重。核能具有高效、清潔和穩(wěn)定的特點(diǎn)，其符合我國的能源需求。近年來，我國壓水堆核電站快速增長(zhǎng)，但因此產(chǎn)生的乏燃料積累量也快速增加。這些乏燃料壽命長(zhǎng)、放射毒性大，長(zhǎng)期威脅人類的生存環(huán)境。

乏燃料處理問題，尤其是乏燃料中半衰期較長(zhǎng)的次錒系核素²³⁷np、²⁴¹am、²⁴³am、²⁴⁴cm和²⁴⁵cm的處理問題，是長(zhǎng)期困擾人們并且存在大量爭(zhēng)議的難題。面對(duì)這種嚴(yán)峻的局面，如何妥善處理、處置乏燃料，以確保子孫后代的環(huán)境安全和我國核能的可持續(xù)發(fā)展，是一個(gè)必須解決的重大問題。目前，國際上對(duì)乏燃料的處理主要有兩種方案。一種是以美國為代表的開式循環(huán)方案，另一種是以歐盟為代表的閉式循環(huán)方案。開式循環(huán)方案即填埋，是將乏燃料經(jīng)過幾年冷卻之后，再用玻璃或者混凝土包裹直接深埋在地下。但是乏燃料中含有較高的可裂變同位素，直接填埋無法充分利用這些可裂變資源；另外，由于乏燃料中部分次錒系元素的半衰期非常長(zhǎng)，包裹乏燃料的容器是否能夠承受足夠長(zhǎng)的時(shí)間也無定論。閉式循環(huán)方案，是將乏燃料中的鈾和钚回收，再制成钚、鈾混合的mox燃料，然后置于反應(yīng)堆中進(jìn)行核反應(yīng)。這既能減少乏燃料中的長(zhǎng)壽命放射性產(chǎn)物，也能充分利用乏燃料中的鈾和钚資源。

我國未來將要采取的乏燃料處理方案是閉式循環(huán)方案。閉式循環(huán)方案利用嬗變來處理乏燃料中的長(zhǎng)壽命次錒系核素。嬗變是指將長(zhǎng)壽命高放核素在中子場(chǎng)中進(jìn)行中子照射，長(zhǎng)壽命高放核素發(fā)生裂變、俘獲等核反應(yīng)后被轉(zhuǎn)化成其他短壽命或穩(wěn)定的核素，從而消除長(zhǎng)壽命放射性核素對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害。

閉式循環(huán)方案常用的是mox燃料組件，它是由燃料棒和導(dǎo)向管構(gòu)成的組件。燃料棒由puo2(氧化钚)與uo2(氧化鈾)混合而成，其作用是發(fā)生裂變以提供能量。在17×17的燃料組件中，中心處的導(dǎo)向管供物理參數(shù)測(cè)量使用用，其余24根導(dǎo)向管的作用是提供控制棒插入的空間。mox燃料組件包含的類型有17×17用于壓水堆的組件，也有用于快堆的六邊形組件。

圖1為現(xiàn)有的17×17陣列的mox燃料組件的示意圖，其包括264根燃料棒和25根導(dǎo)向管，它們構(gòu)成17×17的正方形陣列。其中1根導(dǎo)向管占據(jù)陣列的中心位置，其他24根導(dǎo)向管相對(duì)于該中心處的導(dǎo)向管輻射排布，相鄰兩根導(dǎo)向管之間基本均間隔2根燃料棒。

具體地，以17×17的正方形陣列的中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，坐標(biāo)系的x軸、y軸平行于正方形陣列的邊，定義17×17的正方形陣列的行間距、列間距均為1。那么，有16根所述導(dǎo)向管位于坐標(biāo)系的四個(gè)象限中，它們的坐標(biāo)為(±3，±3)、(±6，±3)、(±3，±6)和(±5，±5)，剩余的9根所述導(dǎo)向管位于原點(diǎn)、(±3，0)和(±6，0)位置處。264根燃料棒則占據(jù)陣列中剩余的264個(gè)坐標(biāo)位置。按照上述方式排布后，每根所述導(dǎo)向管與8根所述燃料棒相鄰。

當(dāng)前，閉式循環(huán)方案中可提供中子源的嬗變?cè)O(shè)施包括熱中子堆、快中子堆、和加速器驅(qū)動(dòng)的次臨界裝置(ads)及其它中子源等。其中技術(shù)最成熟、在運(yùn)行最多的堆型是熱中子堆中的壓水堆，因此開展壓水堆嬗變技術(shù)的研究具有重要意義。結(jié)合閉式循環(huán)的策略，現(xiàn)在主要考慮的方案為在氧化鈾燃料壓水堆中均勻添加長(zhǎng)壽命次錒系核素。而mox燃料為乏燃料的后處理產(chǎn)品，摻雜長(zhǎng)壽命次錒系核素更為容易。同時(shí)，只在部分mox燃料棒中摻雜長(zhǎng)壽命次錒系核素，可以使組件中功率變化更為平緩，更有利于堆芯的安全運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，本發(fā)明的目的在于，提供一種用于嬗變和展平功率的mox燃料組件，其具有嬗變次錒系核素和展平mox燃料組件功率的作用。

一種用于嬗變和展平功率的mox燃料組件，包括摻雜燃料棒、燃料棒和導(dǎo)向管，所述摻雜燃料棒為摻雜長(zhǎng)壽命次錒系核素的燃料棒；所述摻雜燃料棒、所述燃料棒和所述導(dǎo)向管構(gòu)成陣列，每一摻雜燃料棒均與一導(dǎo)向管相鄰。

本發(fā)明所述的用于嬗變和展平功率的mox燃料組件，將與導(dǎo)向管相鄰的部分或者全部燃料棒設(shè)置為摻雜燃料棒，摻雜燃料棒中的長(zhǎng)壽命次錒系核素在中子場(chǎng)中被嬗變?yōu)槎虊勖蚍€(wěn)定的核素，從而減小乏燃料最終處理的成本與難度，能解決乏燃料中的長(zhǎng)壽命次錒系核素的處理問題。另外，本發(fā)明的用于嬗變和展平功率的mox燃料組件包括長(zhǎng)壽命次錒系核素?fù)诫s的摻雜燃料棒，摻雜燃料棒在反應(yīng)堆中反應(yīng)的同時(shí)，摻雜燃料棒的裂變反應(yīng)率被減弱，以降低mox燃料組件中導(dǎo)向管周圍原本較高的功率，從而達(dá)到展平mox燃料組件的功率、增強(qiáng)堆芯安全性的效果。

進(jìn)一步地，所述摻雜燃料棒及導(dǎo)向管的分布相對(duì)于mox燃料組件的對(duì)稱軸和中心均對(duì)稱。摻雜燃料棒呈對(duì)稱分布，有利于整體上展平mox燃料組件的功率。

進(jìn)一步地，對(duì)于17×17陣列的mox燃料組件，所述摻雜燃料棒的數(shù)量在32～152根之間。mox燃料組件包括適當(dāng)數(shù)量的摻雜燃料棒，既有利于mox燃料組件的功率展平，又有利于長(zhǎng)壽命次錒系核素的高效嬗變。

進(jìn)一步地，所述摻雜燃料棒為只摻雜長(zhǎng)壽命次錒系核素²³⁷np的燃料棒；所述長(zhǎng)壽命次錒系核素²³⁷np占所述摻雜燃料棒的質(zhì)量百分比為0.5％～3％。摻雜²³⁷np的濃度太低，則不能達(dá)到減弱燃料棒裂變反應(yīng)率的效果，且處理乏燃料中的長(zhǎng)壽命次錒系核素效率低；摻雜²³⁷np的濃度太高，則摻雜燃料棒的裂變反應(yīng)率過低，影響反應(yīng)堆正常運(yùn)行；摻雜質(zhì)量百分比為0.5％～3％的²³⁷np，能適當(dāng)減弱燃料棒的裂變反應(yīng)率，有利于展平mox燃料組件功率。

進(jìn)一步地，所述摻雜燃料棒為摻雜長(zhǎng)壽命次錒系核素²³⁷np、²⁴¹am和²⁴³am的燃料棒；所述長(zhǎng)壽命次錒系核素²³⁷np、²⁴¹am和²⁴³am三者之和占所述摻雜燃料棒的質(zhì)量百分比為0.5％～3％。摻雜總質(zhì)量百分比為0.5％～3％的²³⁷np、²⁴¹am和²⁴³am，能適當(dāng)減弱燃料棒的裂變反應(yīng)率，有利于展平mox燃料組件功率。

進(jìn)一步地，所述摻雜燃料棒中，摻雜的長(zhǎng)壽命次錒系核素²³⁷np、²⁴¹am和²⁴³am三者之間的質(zhì)量比為。該核素種類和比例，是1000mw電功率反應(yīng)堆燃耗達(dá)到33mwd/kg時(shí)卸料冷卻10年后乏燃料中長(zhǎng)壽命次錒系核素的情形，這有利于統(tǒng)一嬗變反應(yīng)堆的乏燃料中這三種長(zhǎng)壽命次錒系核素。

進(jìn)一步地，所述摻雜燃料棒為摻雜長(zhǎng)壽命次錒系核素²³⁷np、²⁴¹am、²⁴³am、²⁴⁴cm和²⁴⁵cm的燃料棒；所述長(zhǎng)壽命次錒系核素²³⁷np、²⁴¹am、²⁴³am、²⁴⁴cm和²⁴⁵cm五者之和占所述摻雜燃料棒的質(zhì)量百分比為0.5％～3％。摻雜總質(zhì)量百分比為0.5％～3％的²³⁷np、²⁴¹am、²⁴³am、²⁴⁴cm和²⁴⁵cm，能適當(dāng)減弱燃料棒的裂變反應(yīng)率，有利于展平mox燃料組件功率。

進(jìn)一步地，所述摻雜燃料棒中，摻雜的長(zhǎng)壽命次錒系核素²³⁷np、²⁴¹am、²⁴³am、²⁴⁴cm和²⁴⁵cm五者之間的質(zhì)量比為。該核素種類和比例，是1000mw電功率反應(yīng)堆燃耗達(dá)到33mwd/kg時(shí)卸料冷卻10年后乏燃料中長(zhǎng)壽命次錒系核素的情形，這有利于統(tǒng)一嬗變反應(yīng)堆的乏燃料中這五種次錒系核素。

另外，本發(fā)明還提供了一種展平mox燃料組件功率的方法。

一種展平mox燃料組件功率的方法，將mox燃料組的導(dǎo)向管相鄰的燃料棒替換為摻雜燃料棒；所述摻雜燃料棒為摻雜長(zhǎng)壽命次錒系核素的燃料棒。

本發(fā)明所述的展平mox燃料組件功率的方法，利用摻雜燃料棒中的長(zhǎng)壽命次錒系核素在中子場(chǎng)中被嬗變，來減弱摻雜燃料棒的裂變反應(yīng)率，以降低mox燃料組件中導(dǎo)向管周圍原本較高的功率，從而達(dá)到展平mox燃料組件的功率、增強(qiáng)堆芯安全性的效果。

為了更好地理解和實(shí)施，下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有的17×17陣列的mox燃料組件的示意圖；

圖2為本發(fā)明包含32根摻雜燃料棒的17×17陣列的mox燃料組件的示意圖；

圖3為本發(fā)明包含92根摻雜燃料棒的17×17陣列的mox燃料組件的示意圖；

圖4為本發(fā)明包含152根摻雜燃料棒的17×17陣列的mox燃料組件的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的用于嬗變和展平功率的mox燃料組件，包括摻雜燃料棒、燃料棒和導(dǎo)向管，所述摻雜燃料棒為摻雜長(zhǎng)壽命次錒系核素的燃料棒；所述摻雜燃料棒、所述燃料棒和所述導(dǎo)向管構(gòu)成陣列，所述導(dǎo)向管均勻分散于所述陣列中，所述摻雜燃料棒與所述導(dǎo)向管相鄰。

摻雜燃料棒中的長(zhǎng)壽命次錒系核素在中子場(chǎng)中被嬗變?yōu)槎虊勖蚍€(wěn)定的核素，從而減小乏燃料最終處理的成本與難度，能解決乏燃料中的長(zhǎng)壽命次錒系核素的處理問題。由于慢化劑的作用，將裂變反應(yīng)產(chǎn)生的快中子慢化為熱中子。一般而言，慢化后的中子與原子核反應(yīng)率更高，比如，²³⁹pu等易裂變核的熱中子裂變截面比快中子截面大，從而使位于mox燃料組件的導(dǎo)向管周圍的燃料棒的功率較高，導(dǎo)致反應(yīng)堆功率不均勻，進(jìn)一步展平功率可使反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性提高。本發(fā)明將導(dǎo)向管周圍的部分或者全部燃料棒替換為摻雜燃料棒，利用摻雜燃料棒中的長(zhǎng)壽命次錒系核素在中子場(chǎng)中吸收中子被嬗變，來減弱摻雜燃料棒的裂變反應(yīng)率，以降低mox燃料組件中導(dǎo)向管周圍原本較高的功率，從而達(dá)到展平mox燃料組件的功率、增強(qiáng)堆芯安全性的效果。

mox燃料組件常見的型號(hào)為17×17陣列的mox燃料組件。本發(fā)明以17×17陣列的mox燃料組件為例，在現(xiàn)有17×17陣列的mox燃料組件的基礎(chǔ)上，將與導(dǎo)向管相鄰的至少1根燃料棒替換為摻雜燃料棒而得到。

圖2是本發(fā)明包含32根摻雜燃料棒的17×17陣列的mox燃料組件的示意圖。其可以通過如下方式得到，選擇坐標(biāo)位于(3，3)、(5，5)、(3，6)和(6，3)的導(dǎo)向管，將這4根導(dǎo)向管周圍的位于(4，3)、(3，4)、(5，3)、(3，5)、(5，4)、(4，5)、(6，4)和(4，6)的8根燃料棒替換為摻雜燃料棒；然后將與上述8根摻雜燃料棒相對(duì)于x軸、y軸、原點(diǎn)對(duì)稱位置上的燃料棒也替換為摻雜燃料棒，即得到圖2將(±4，±3)、(±3，±4)、(±5，±3)、(±3，±5)、(±5，±4)、(±4，±5)、(±6，±4)和(±4，±6)坐標(biāo)處的32根燃料棒替換為摻雜燃料棒的排布方式。

相似地，圖3是本發(fā)明包含92根摻雜燃料棒的17×17陣列的mox燃料組件的示意圖。其可以通過如下方式得到，將第一象限中導(dǎo)向管周圍的總共19根燃料棒替換為摻雜燃料棒，所述19根摻雜燃料棒相對(duì)于x軸與y軸的平分線對(duì)稱；然后將與所述19根摻雜燃料棒相對(duì)于x軸、y軸、原點(diǎn)對(duì)稱位置上的燃料棒也替換為摻雜燃料棒；最后將x軸上(±1，0)、(±2，0)、(±4，0)、(±5、0)位置上的8根燃料棒、y軸上(0，±1)、(0，±2)、(0，±4)和(0，±5)位置上的8根燃料棒都替換為摻雜燃料棒，即得到圖3的排布方式。

相似地，圖4是本發(fā)明包含152根摻雜燃料棒的17×17陣列的mox燃料組件的示意圖。其通過如下方式得到，將第一象限中導(dǎo)向管周圍的總共33根燃料棒替換為摻雜燃料棒，所述33根摻雜燃料棒相對(duì)于x軸與y軸的平分線對(duì)稱；然后將與所述33根摻雜燃料棒相對(duì)于x軸、y軸、原點(diǎn)對(duì)稱位置上的燃料棒也替換為摻雜燃料棒；最后將x軸上(±1，0)、(±2，0)、(±4，0)、(±5、0)和(±7、0)位置上的10根燃料棒、y軸上(0，±1)、(0，±2)、(0，±4)、(0，±5)和(0，±7)位置上的10根燃料棒都替換為摻雜燃料棒，即得到圖4的排布方式。

本發(fā)明的摻雜燃料棒對(duì)稱分布，有利于整體上展平mox燃料組件的功率。對(duì)于17×17陣列的mox燃料組件，替換燃料棒的數(shù)量在32～152根之間。如果摻雜燃料棒的數(shù)量太少，則要達(dá)到同樣的嬗變長(zhǎng)壽命次錒系核素效率，須對(duì)摻雜燃料棒進(jìn)行高濃度長(zhǎng)壽命次錒系核素?fù)诫s，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)诫s燃料棒的裂變反應(yīng)率過低，影響反應(yīng)堆的正常運(yùn)行；同時(shí)也會(huì)因?yàn)閾诫s燃料棒裂變反應(yīng)率低于原mox燃料組件中最低裂變反應(yīng)率，導(dǎo)致無法展平功率甚至增大功率分布的不均勻性；摻雜燃料棒的數(shù)量太多，則相當(dāng)于所有燃料棒均為摻雜燃料棒，導(dǎo)致?lián)诫s燃料棒不能起展平mox燃料組件功率的作用。

需指出的是，除了圖2-4的替換方式外，其他替換燃料棒數(shù)量在32～152根之間，且替換后摻雜燃料棒相對(duì)于原點(diǎn)、x軸和y軸都對(duì)稱的替換方式，同樣能起到展平17×17陣列的mox燃料組件功率的作用。

本發(fā)明所述摻雜燃料棒，摻入的總長(zhǎng)壽命次錒系核素占所述摻雜燃料棒的質(zhì)量百分比為0.5％～3％。如果長(zhǎng)壽命次錒系核素?fù)诫s太低，則不能達(dá)到減弱燃料棒裂變反應(yīng)率的效果，且處理長(zhǎng)壽命次錒系核素的效率低；如果長(zhǎng)壽命次錒系核素?fù)诫s太高，則摻雜燃料棒裂變反應(yīng)率過低，影響反應(yīng)堆正常運(yùn)行。本發(fā)明中，所述摻雜燃料棒的具體摻雜方式有三種：

1、只摻雜²³⁷np。

2、摻雜²³⁷np、²⁴¹am和²⁴³am，其中三者之間的質(zhì)量比為。該核素種類和比例，是1000mw電功率反應(yīng)堆燃耗達(dá)到33mwd/kg時(shí)卸料冷卻10年后乏燃料中長(zhǎng)壽命次錒系核素的情形，這樣摻雜可以降低乏燃料后處理的難度，如考慮其他功率的反應(yīng)堆在其他燃耗時(shí)產(chǎn)生的乏燃料，此比例亦可改動(dòng)。

3、摻雜²³⁷np、²⁴¹am、²⁴³am、²⁴⁴cm和²⁴⁵cm，其中五者之間的質(zhì)量比為。該核素種類和比例，是1000mw電功率反應(yīng)堆燃耗達(dá)到33mwd/kg時(shí)卸料冷卻10年后乏燃料中次錒系核素的情形(²⁴⁴cm的半衰期為18年，不是長(zhǎng)壽命核素，這里被一起考慮是因?yàn)閱为?dú)使其分離增加成本)，這樣摻雜可以降低乏燃料后處理的難度，如考慮其他功率的反應(yīng)堆在其他燃耗時(shí)產(chǎn)生的乏燃料，此比例亦可改動(dòng)。

以下以圖3所示的17×17陣列的mox燃料組件為例，說明本發(fā)明的技術(shù)效果。

對(duì)現(xiàn)有17×17陣列的mox燃料組件的功率分布進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列于表1中的第一行。

例1、對(duì)含有92根摻雜燃料棒的17×17陣列的mox燃料組件的功率分布進(jìn)行計(jì)算，其中每根燃料棒和摻雜燃料棒的钚含量均為9.8％，所述摻雜燃料棒為摻入質(zhì)量百分比為3％的²³⁷np的燃料棒，計(jì)算結(jié)果列于表1中的第二行。

例2、對(duì)含有92根摻雜燃料棒的17×17陣列的mox燃料組件的功率分布進(jìn)行計(jì)算，其中每根燃料棒和摻雜燃料棒的钚含量均為9.8％；所述摻雜燃料棒為摻入質(zhì)量百分比為3％的長(zhǎng)壽命次錒系核素的燃料棒，所述摻入的長(zhǎng)壽命次錒系核素的種類和質(zhì)量比例為，計(jì)算結(jié)果列于表1中的第三行。

表1

計(jì)算表明，在壽期初，即燃耗(燃耗是衡量核燃料中單位質(zhì)量重金屬總能量的釋放量)為0mwd/kg時(shí)，本發(fā)明組件的所有燃料棒(燃料棒和摻雜燃料棒)功率的方差、功率的最大值與最小值之比都小于現(xiàn)有mox燃料組件的相應(yīng)結(jié)果。在壽期末，即燃耗為50mwd/kg時(shí)，本發(fā)明組件的所有燃料棒燃耗方差、最大值與最小值之比都小于現(xiàn)有mox燃料組件的相應(yīng)結(jié)果。由此可見，無論是壽期初，還是整個(gè)運(yùn)行過程中，本發(fā)明的mox燃料組件的功率分布都要比現(xiàn)有mox燃料組件更平滑。

另外，計(jì)算表明，在平均燃耗50mwd/kg時(shí)，例1中約有47％的²³⁷np被嬗變，例2中約有55％的長(zhǎng)壽命次錒系核素被嬗變(計(jì)算時(shí)需考慮不摻雜時(shí)mox燃料組件本身生成的長(zhǎng)壽命次錒系核素)。

由此可見，本發(fā)明將導(dǎo)向管周圍的部分或者全部燃料棒替換為摻雜燃料棒，摻雜燃料棒中的長(zhǎng)壽命次錒系核素在中子場(chǎng)中被嬗變?yōu)槎虊勖蚍€(wěn)定的核素，從而減小乏燃料最終處理的成本與難度，能解決乏燃料中的長(zhǎng)壽命次錒系核素的處理問題。另外，本發(fā)明的用于嬗變和展平功率的mox燃料組件包括長(zhǎng)壽命次錒系核素?fù)诫s的摻雜燃料棒，摻雜燃料棒在反應(yīng)堆中反應(yīng)的同時(shí)，摻雜燃料棒的裂變反應(yīng)率被減弱，以降低mox燃料組件中導(dǎo)向管周圍原本較高的功率，從而達(dá)到展平mox燃料組件的功率、增強(qiáng)堆芯安全性的效果。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。