專利名稱:具備有效中子增殖因數(shù)控制的加速器驅(qū)動(dòng)核系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(ADS)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，全球?qū)铀倨黩?qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆的關(guān)注度大幅提高，例如反式鈾(TransUranic) (TRU)燃燒器以及基于釷的增殖反應(yīng)堆，如W095/12203中公開的能量放大器(EA)。
在次臨界系統(tǒng)中，中子增殖小于1，尤其是采用由外部質(zhì)子加速器生成的額外中子來(lái)確保增殖反應(yīng)鏈的操作。次臨界度特別有利地出現(xiàn)在某些應(yīng)用中，這些應(yīng)用包括貢獻(xiàn)出比普通壓水堆(PWR)中的中子小很多的有效緩發(fā)中子、小的或者不良的多普勒溫度系數(shù)以及可能還有取決于冷卻劑狀況的正空穴系數(shù)。次臨界操作特別有利于基于U-238的快中子增殖反應(yīng)堆或基于Th-232的熱或快中子增殖反應(yīng)堆的情況，這是由于據(jù)此需要兩個(gè)而不是一個(gè)中子來(lái)中止該增殖過程，一個(gè)用于生成裂變材料而第二個(gè)用于裂變生成下一代元素，其中由于裂變僅僅稍微少于中子增殖。
公知的是，在次臨界系統(tǒng)中，中子增殖因數(shù)k是堆芯的給定中子可能繼續(xù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的平均概率。因此，始于由各個(gè)注入的外部加速器驅(qū)動(dòng)中子級(jí)聯(lián)所產(chǎn)生的次級(jí)中子的最終總的平均數(shù)可由下述等式給出
k+k2+k3+···= k/(l-k) = -I/P，式中P稱之為剩余反應(yīng)性。在次臨界系統(tǒng)中，我們可得出P < O。
兩個(gè)分量有助于次臨界系統(tǒng)中的中子增殖，即歸因于瞬發(fā)裂變中子的瞬時(shí)份額(contribution) kp和歸因于緩發(fā)中子的份額kd，該緩發(fā)中子由裂變碎片的極小部分·(fraction) β eff生成，裂變碎片在初始裂變發(fā)生后的幾秒后產(chǎn)生中子，其中k = kp+kd。在它們的緩發(fā)時(shí)間中，這些中子并不呈現(xiàn)為自由中子它們被“預(yù)存儲(chǔ)”在核子中(例如Kr-87)，并在這一短短的時(shí)間段內(nèi)，它們不會(huì)遭受任何可感知的慢化或吸收。這些中子的存儲(chǔ)的現(xiàn)象提升了有效響應(yīng)時(shí)間。
表I示出了來(lái)自U-233，U-235和Pu_239裂變錒族元素的緩發(fā)中子放射裂變碎片的6個(gè)放射族。對(duì)于快(未慢化)中子(Pfast)和熱中子(PthJ，都給出了放射族的中子放射的指數(shù)壽命和分?jǐn)?shù)裂變率。對(duì)于各個(gè)初始錒族元素狀態(tài)來(lái)說(shuō)，它們都大不相同。
權(quán)利要求
1.加速器驅(qū)動(dòng)的核系統(tǒng)在次臨界條件下的操作方法，包括 -將加速粒子引導(dǎo)至裂變靶； -在堆芯中從所述裂變靶來(lái)增殖中子，所述堆芯裝載有包括可裂變材料和增殖性材料的核燃料；以及 -控制所述堆芯中的反應(yīng)性，以便將有效中子增殖因數(shù)保持在大于O. 98的范圍之內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的方法，其特征在于，所述有效中子增殖因數(shù)的范圍大于O.99且小于O. 999。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的方法，其特征在于，所述堆芯中的反應(yīng)性被控制在大于-4$的范圍之內(nèi)，其中所述反應(yīng)性的單位‘$’用于反應(yīng)堆系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的方法，其特征在于，所述堆芯中的反應(yīng)性被控制在介于-3$至-O. 5$之間的范圍之內(nèi)。
5.如上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，中子計(jì)數(shù)器分布于所述堆芯中，并且其中控制所述堆芯中的反應(yīng)性包括 -應(yīng)用步長(zhǎng)改變來(lái)減少加速粒子的束流； -根據(jù)束流的步長(zhǎng)改變，測(cè)量由所述中子計(jì)數(shù)器提供的中子計(jì)數(shù)率的變化； -估算由于所述步長(zhǎng)改變而導(dǎo)致的與瞬發(fā)中子的損耗相關(guān)的計(jì)數(shù)率的下降；以及 -求出估算的計(jì)數(shù)率的下降與所述步長(zhǎng)改變之前計(jì)數(shù)率數(shù)值的比值。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的方法，其特征在于，所述中子計(jì)數(shù)率的下降的估算包括推測(cè)在步長(zhǎng)改變趨向步長(zhǎng)改變時(shí)間之后的計(jì)數(shù)率的變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的方法，其特征在于，所述步長(zhǎng)改變后的一段時(shí)間長(zhǎng)于100毫秒，優(yōu)選長(zhǎng)于I秒，在這段時(shí)間內(nèi)，所述束流保持在已減少的數(shù)值并且測(cè)量所述中子計(jì)數(shù)率的變化以便于推測(cè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求
5至7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述步長(zhǎng)改變將所述束流減少小于50%。
9.如上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，被引導(dǎo)至所述裂變靶的所述加速粒子是連續(xù)粒子束的形式。
10.根據(jù)權(quán)利要求
9所述的方法，其特征在于，所述粒子束以額定束流進(jìn)行操作，除了估算所述堆芯中的反應(yīng)性的階段外，并且其中所述反應(yīng)性控制包括調(diào)整所述堆芯中的中子吸收控制元件的位置。
11.根據(jù)權(quán)利要求
9或10所述的方法，其特征在于，所述粒子束以額定束流進(jìn)行操作，除了估算所述核芯中的反應(yīng)性的階段外，并且其中所述反應(yīng)性控制包括 -連續(xù)監(jiān)視由分布在所述堆芯中的中子計(jì)數(shù)器所提供的中子計(jì)數(shù)率；以及 -根據(jù)對(duì)所檢測(cè)到的計(jì)數(shù)率的偏差狀況的檢測(cè)，執(zhí)行估算所述堆芯中的反應(yīng)性的步驟。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述反應(yīng)性控制包括周期性地估算所述堆芯中的反應(yīng)性，該周期優(yōu)選為超過一小時(shí)，所述反應(yīng)性的估算包括減少所述加速粒子的束流。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，進(jìn)一步包括 -檢測(cè)所述加速粒子的任何中斷；以及 -根據(jù)中斷的檢測(cè)，將快速停堆中子吸收體插入所述堆芯中。
14.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的方法，其特征在于，在檢測(cè)到所述加速粒子的中斷后，將所述快速停堆中子吸收體在超過100毫秒優(yōu)選為I秒的一段時(shí)間后插入所述堆芯中，以及，在該周期內(nèi)，測(cè)量由分布在所述堆芯中的中子計(jì)數(shù)器提供的中子計(jì)數(shù)率的變化，以及，估算涉及由于所述中斷而造成的所述瞬發(fā)中子的損耗的計(jì)數(shù)率的下降，以及，求出所估算的計(jì)數(shù)率下降與所述中斷之前的計(jì)數(shù)率數(shù)值之間的比值，以便推導(dǎo)出反應(yīng)性數(shù)值。
15.如上述權(quán)利要求
中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述加速粒子由加速器復(fù)合裝置提供，所述加速器復(fù)合裝置具有確保所述束流連續(xù)性的冗余組件。
16.一種次臨界加速器驅(qū)動(dòng)核系統(tǒng)，包括 -至少一個(gè)粒子加速器； -接收加速粒子的裂變靶； -鄰近所述裂變靶的堆芯，所述堆芯裝載有包含可裂變材料和增殖性材料的核燃料； -用于從所述堆芯接收熱量的冷卻劑回路； -分布在所述堆芯中的中子計(jì)數(shù)器；以及 -與所述中子計(jì)數(shù)器協(xié)同操作的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)用于控制反應(yīng)性，從而將有效中子增殖因數(shù)保持在大于O. 98的范圍之內(nèi)。
專利摘要
加速器驅(qū)動(dòng)次臨界增殖反應(yīng)堆使用盡可能大的中子增殖因數(shù)來(lái)操作，從而只需要加速器提供較小的輸入功率，以便減少其尺寸及其成本和復(fù)雜度。因此，束生成的裂變中子產(chǎn)率變得可相比于來(lái)自裂變?cè)氐木彴l(fā)中子的部分。這可用于確保反應(yīng)性的精確在線確定。籍助于中子吸收控制棒和/或質(zhì)子流，可調(diào)整所獲得結(jié)果的改變。此外，可連續(xù)監(jiān)測(cè)和調(diào)整在操作期間的溫度變化，以便避免次臨界系統(tǒng)過于接近于(緩發(fā))臨界狀態(tài)以及將中子增殖因數(shù)保持在可接受的界限范圍之內(nèi)。
文檔編號(hào)G21D3/10GKCN102947889SQ201080066757
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2010年3月29日
發(fā)明者卡洛·魯布比亞 申請(qǐng)人:嘉科E&C有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan