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)濟的快速增長，對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，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，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、放射毒性大，長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的次錒系核素²³⁷np、²⁴¹am、²⁴³am、²⁴⁴cm和²⁴⁵cm的處理問題，是長期困擾人們并且存在大量爭議的難題。面對這種嚴(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，是一個必須解決的重大問題。目前，國際上對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，包裹乏燃料的容器是否能夠承受足夠長的時間也無定論。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)堆中進行核反應(yīng)。這既能減少乏燃料中的長壽命放射性產(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壽命次錒系核素。嬗變是指將長壽命高放核素在中子場中進行中子照射，長壽命高放核素發(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，從而消除長壽命放射性核素對生態(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、(±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設(shè)施包括熱中子堆、快中子堆、和加速器驅(qū)動的次臨界裝置(ads)及其它中子源等。其中技術(shù)最成熟、在運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，摻雜長壽命次錒系核素更為容易。同時，只在部分mox燃料棒中摻雜長壽命次錒系核素，可以使組件中功率變化更為平緩，更有利于堆芯的安全運行。

技術(shù)實現(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，摻雜燃料棒中的長壽命次錒系核素在中子場中被嬗變?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，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，從而達到展平mox燃料組件的功率、增強堆芯安全性的效果。

進一步地，所述摻雜燃料棒及導(dǎo)向管的分布相對于mox燃料組件的對稱軸和中心均對稱。摻雜燃料棒呈對稱分布，有利于整體上展平mox燃料組件的功率。

進一步地，對于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，又有利于長壽命次錒系核素的高效嬗變。

進一步地，所述摻雜燃料棒為只摻雜長壽命次錒系核素²³⁷np的燃料棒；所述長壽命次錒系核素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，則不能達到減弱燃料棒裂變反應(yīng)率的效果，且處理乏燃料中的長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。

進一步地，所述摻雜燃料棒為摻雜長壽命次錒系核素²³⁷np、²⁴¹am和²⁴³am的燃料棒；所述長壽命次錒系核素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。

進一步地，所述摻雜燃料棒中，摻雜的長壽命次錒系核素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)堆燃耗達到33mwd/kg時卸料冷卻10年后乏燃料中長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壽命次錒系核素。

進一步地，所述摻雜燃料棒為摻雜長壽命次錒系核素²³⁷np、²⁴¹am、²⁴³am、²⁴⁴cm和²⁴⁵cm的燃料棒；所述長壽命次錒系核素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。

進一步地，所述摻雜燃料棒中，摻雜的長壽命次錒系核素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)堆燃耗達到33mwd/kg時卸料冷卻10年后乏燃料中長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壽命次錒系核素在中子場中被嬗變，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，從而達到展平mox燃料組件的功率、增強堆芯安全性的效果。

為了更好地理解和實施，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。

摻雜燃料棒中的長壽命次錒系核素在中子場中被嬗變?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，進一步展平功率可使反應(yīng)堆運行的安全性提高。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壽命次錒系核素在中子場中吸收中子被嬗變，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，從而達到展平mox燃料組件的功率、增強堆芯安全性的效果。

mox燃料組件常見的型號為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根摻雜燃料棒相對于x軸、y軸、原點對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根摻雜燃料棒相對于x軸與y軸的平分線對稱；然后將與所述19根摻雜燃料棒相對于x軸、y軸、原點對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根摻雜燃料棒相對于x軸與y軸的平分線對稱；然后將與所述33根摻雜燃料棒相對于x軸、y軸、原點對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)明的摻雜燃料棒對稱分布，有利于整體上展平mox燃料組件的功率。對于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，則要達到同樣的嬗變長壽命次錒系核素效率，須對摻雜燃料棒進行高濃度長壽命次錒系核素?fù)诫s，進而導(dǎo)致?lián)诫s燃料棒的裂變反應(yīng)率過低，影響反應(yīng)堆的正常運行；同時也會因為摻雜燃料棒裂變反應(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于原點、x軸和y軸都對稱的替換方式，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％。如果長壽命次錒系核素?fù)诫s太低，則不能達到減弱燃料棒裂變反應(yīng)率的效果，且處理長壽命次錒系核素的效率低；如果長壽命次錒系核素?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)堆燃耗達到33mwd/kg時卸料冷卻10年后乏燃料中長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)堆在其他燃耗時產(chǎn)生的乏燃料，此比例亦可改動。

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)堆燃耗達到33mwd/kg時卸料冷卻10年后乏燃料中次錒系核素的情形(²⁴⁴cm的半衰期為18年，不是長壽命核素，這里被一起考慮是因為單獨使其分離增加成本)，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)堆在其他燃耗時產(chǎn)生的乏燃料，此比例亦可改動。

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。

對現(xiàn)有17×17陣列的mox燃料組件的功率分布進行計算，計算結(jié)果列于表1中的第一行。

例1、對含有92根摻雜燃料棒的17×17陣列的mox燃料組件的功率分布進行計算，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，計算結(jié)果列于表1中的第二行。

例2、對含有92根摻雜燃料棒的17×17陣列的mox燃料組件的功率分布進行計算，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％的長壽命次錒系核素的燃料棒，所述摻入的長壽命次錒系核素的種類和質(zhì)量比例為，計算結(jié)果列于表1中的第三行。

表1

計算表明，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，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，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，還是整個運行過程中，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，計算表明，在平均燃耗50mwd/kg時，例1中約有47％的²³⁷np被嬗變，例2中約有55％的長壽命次錒系核素被嬗變(計算時需考慮不摻雜時mox燃料組件本身生成的長壽命次錒系核素)。

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，摻雜燃料棒中的長壽命次錒系核素在中子場中被嬗變?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，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，從而達到展平mox燃料組件的功率、增強堆芯安全性的效果。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(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，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。