一種多分區(qū)模式的行波式焚燒長(zhǎng)壽命堆芯的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及行波式焚燒快堆的設(shè)計(jì)技術(shù)，具體涉及一種多分區(qū)模式的行波式焚燒 長(zhǎng)壽命堆芯設(shè)計(jì)方案。
【背景技術(shù)】
[0002] 行波式焚燒快堆不同于現(xiàn)有商業(yè)化的堆，它可以通過(guò)對(duì)抑制堆芯燃料的分布和運(yùn) 行，核燃料可以從一端富集啟動(dòng)點(diǎn)燃，裂變產(chǎn)生的多余中子將周圍不能裂變的U-238轉(zhuǎn)化 成Pu-239,當(dāng)達(dá)到一定濃度之后，形成裂變反應(yīng)，同時(shí)開始焚燒在原位生成的燃料，形成行 波。行波以增殖波先行焚燒波后續(xù)，一次性裝量可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)十年甚至上百年。除最初 的啟動(dòng)源需要濃縮鈾，其他所有燃燒都可以來(lái)自天然鈾或壓水堆卸出的貧鈾，因此運(yùn)行中 不需要分離濃縮。形象的說(shuō)，行波堆像"蠟燭"，用火柴點(diǎn)燃后逐漸燒盡，并可以點(diǎn)燃其他堆 芯。
[0003] 理論上，行波快堆具有簡(jiǎn)化燃料處理流程和提升快堆防擴(kuò)散能力等顯著特點(diǎn)，但 該項(xiàng)技術(shù)要達(dá)到成熟化；還需要燃料材料等一系列重大技術(shù)問(wèn)題的突破，這將是一個(gè)較長(zhǎng) 的過(guò)程，并且結(jié)果存在一定的不確定性。
[0004] 行波堆的堆芯設(shè)計(jì)是行波堆關(guān)鍵技術(shù)之一，由于一方面行波堆運(yùn)行需要達(dá)到比較 深的燃耗深度，深燃耗運(yùn)行過(guò)程中堆芯主要性能參數(shù)隨時(shí)間將產(chǎn)生明顯的變化，功率分布 等分布性參數(shù)將會(huì)產(chǎn)生明顯"漂移"的趨勢(shì)。另一方面由于材料工藝水平限制，峰值燃耗水 平將限制行波堆的運(yùn)行參數(shù)，需要在初始的堆芯設(shè)計(jì)優(yōu)化階段，充分考慮燃耗及結(jié)構(gòu)材料 dpa的展平和優(yōu)化。另外，由于行波堆全壽期不換料，增加了堆芯物理、熱工、力學(xué)等各種設(shè) 計(jì)限制相互關(guān)聯(lián)和制約，極大增加了設(shè)計(jì)難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是在充分考慮工藝水平限制條件的前提下，借鑒傳統(tǒng)快堆的設(shè)計(jì)方 法，提供一種多分區(qū)模式的行波式焚燒長(zhǎng)壽命堆芯設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)行波式焚燒快堆堆芯性 能的優(yōu)化。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種多分區(qū)模式的行波式焚燒長(zhǎng)壽命堆芯，包括點(diǎn)火區(qū) 和增殖區(qū)，其中，所述的點(diǎn)火區(qū)位于堆芯軸向的中間位置，在點(diǎn)火區(qū)的軸向兩端分別設(shè)置所 述增殖區(qū)；所述點(diǎn)火區(qū)分為內(nèi)點(diǎn)火區(qū)、外點(diǎn)火區(qū)和內(nèi)區(qū)中心區(qū)，所述外點(diǎn)火區(qū)位于所述內(nèi)點(diǎn) 火區(qū)的徑向外側(cè)，所述內(nèi)區(qū)中心區(qū)位于所述內(nèi)點(diǎn)火區(qū)的軸向中間位置；所述增殖區(qū)分為內(nèi) 增殖區(qū)、外增殖區(qū)，所述外增殖區(qū)位于所述內(nèi)增殖區(qū)的徑向外側(cè)；所述點(diǎn)火區(qū)的燃料采用 U-Pu-10Zr合金，內(nèi)點(diǎn)火區(qū)燃料的有效密度小于外點(diǎn)火區(qū)燃料的有效密度；所述內(nèi)增殖區(qū) 的燃料采用天然鈾U-lOZr合金，所述外增殖區(qū)的燃料采用模擬的乏燃料組成的HM-lOZr合 金，內(nèi)增殖區(qū)燃料的有效密度小于外增殖區(qū)燃料的有效密度，且大于外點(diǎn)火區(qū)燃料的有效 密度。
[0007] 進(jìn)一步，如上所述的多分區(qū)模式的行波式焚燒長(zhǎng)壽命堆芯，其中，所述的內(nèi)點(diǎn)火區(qū) 燃料中Pu占重核的質(zhì)量份額為14. 1%，所述外點(diǎn)火區(qū)和內(nèi)區(qū)中心區(qū)燃料中Pu占重核的質(zhì) 量份額為12.6%。
[0008] 進(jìn)一步，如上所述的多分區(qū)模式的行波式焚燒長(zhǎng)壽命堆芯，其中，所述內(nèi)點(diǎn)火區(qū)燃 料的有效密度為62%TD，所述外點(diǎn)火區(qū)燃料的有效密度為68%TD，所述內(nèi)增殖區(qū)燃料的有 效密度為70%TD，所述外增殖區(qū)燃料的有效密度為78%TD。
[0009] 進(jìn)一步，如上所述的多分區(qū)模式的行波式焚燒長(zhǎng)壽命堆芯，其中，所述的增殖區(qū)的 軸向外側(cè)以及點(diǎn)火區(qū)和增殖區(qū)的徑向外側(cè)分別設(shè)有不銹鋼反射層組件。
[0010] 進(jìn)一步，如上所述的多分區(qū)模式的行波式焚燒長(zhǎng)壽命堆芯，其中，堆芯的運(yùn)行模式 為：首次裝載的堆芯經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行后，增殖行波已經(jīng)明顯移出點(diǎn)火區(qū)，將點(diǎn)火區(qū)深度 焚燒的乏燃料進(jìn)行處置，并將增殖過(guò)的可轉(zhuǎn)換材料作為新的點(diǎn)火區(qū)，在原增殖區(qū)的軸向兩 端添加新的增殖區(qū)材料，從而充分發(fā)揮行波堆穩(wěn)定階段焚燒的優(yōu)勢(shì)，并且降低后續(xù)行波堆 啟動(dòng)對(duì)于易裂變材料的需求。
[0011] 本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明所提供的行波堆多種分區(qū)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，可以有效 優(yōu)化行波堆的堆芯性能，降低行波堆對(duì)于燃料材料極深燃耗的需求，充分結(jié)合現(xiàn)實(shí)工藝水 平實(shí)現(xiàn)行波式的增殖焚燒運(yùn)行快堆設(shè)計(jì)；一般的行波堆最大的燃耗需要達(dá)到50at.%，包 殼最大輻照損傷在800dpa以上，應(yīng)用本發(fā)明的設(shè)計(jì)可以將行波堆的峰值燃耗水平降低至 30at.%以下，峰值輻照損傷水平降低至500dpa以下；通過(guò)本發(fā)明的分區(qū)設(shè)計(jì)，可以降低燃 料組件功率隨著燃耗時(shí)間的變化，燃料組件功率在運(yùn)行壽期內(nèi)變化小于10%，易于實(shí)現(xiàn)固 定流量分配的熱工水力學(xué)設(shè)計(jì)，使得堆芯組件出口溫度在運(yùn)行壽期內(nèi)變化在一個(gè)可接受的 范圍內(nèi)。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為添加可燃毒物對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)性變化的影響示意圖；
[0013] 圖2為不同點(diǎn)火區(qū)材料對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)性變化的影響示意圖；
[0014] 圖3為不同增殖區(qū)材料對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)性變化的影響示意圖；
[0015] 圖4為采用貧鈾與低富集鈾對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)性變化的影響示意圖；
[0016] 圖5為不同點(diǎn)火區(qū)布置對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中反應(yīng)性變化的影響示意圖；
[0017] 圖6為行波堆長(zhǎng)期運(yùn)行的分區(qū)換料運(yùn)行方案示意圖；
[0018] 圖7為行波堆堆芯分區(qū)設(shè)計(jì)布置的示意圖；
[0019] 圖8為堆芯組件布置圖；
[0020] 圖9為運(yùn)行過(guò)程中堆芯keff隨燃耗積累的變化示意圖；
[0021] 圖10為運(yùn)行過(guò)程中各燃料區(qū)組件功率水平隨著燃耗積累的變化示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0023] 本發(fā)明是通過(guò)行波堆的多分區(qū)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽期的穩(wěn)定運(yùn)行，下面對(duì)點(diǎn)火區(qū)以及 增殖區(qū)的分區(qū)方式進(jìn)行分別的描述，并且給出了基于分區(qū)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)期運(yùn)行方案設(shè)計(jì)。
[0024] 1、點(diǎn)火區(qū)分區(qū)設(shè)計(jì)：
[0025] a)燃料富集度；
[0026] 燃料富集度的分區(qū)設(shè)計(jì)是常規(guī)快堆中通常采用的分區(qū)方式，可以有效的展平堆芯 不同區(qū)域的功率分布，同時(shí)有效展平燃料的燃耗分布，提高平均卸料燃耗水平。
[0027] b)可燃毒物添加；
[0028] 添加均勻的可燃毒物吸收體材料，最初的考慮是在增殖區(qū)內(nèi)添加，來(lái)控制行波傳 播速度，并且隨著行波移動(dòng)釋放反應(yīng)性。如圖1所示，是比較點(diǎn)火區(qū)添加少量均勻的可燃毒 物硼的情況下，krff隨著時(shí)間的變化?？梢?，添加一定份額的可燃吸收體，對(duì)于初始階段的反 應(yīng)性變化，有了明顯的改善。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)候，可以考慮在點(diǎn)火區(qū)添加少量的濃縮硼。
[0029] c)不同的燃料有效密度；
[0030] 燃料的有效密度是指，擁有理論的密度燃料材料在包殼內(nèi)部的所占的體積份額。 采用不同的有效密度的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)堆芯有三個(gè)方面的影響，一方面可以改變不同區(qū)域的易裂 變核素含量，一方面可以改變不同區(qū)域材料的增殖能力，另外還可以通過(guò)不同有效密度的 分布來(lái)適應(yīng)不同燃耗深度對(duì)于材料的要求。
[0031]d)不同同位素成分的點(diǎn)火區(qū)易裂變材料。
[0032] 鈾钚循環(huán)的點(diǎn)火區(qū)材料有兩種選擇：濃縮鈾合金與鈾钚合金。不同的钚的同位素 組成對(duì)于中子學(xué)性能也將產(chǎn)生較為明顯的影響。如圖2是分別使用濃縮鈾、工業(yè)钚、及軍用 钚作為點(diǎn)火區(qū)材料，在其他條件相同的情況下，三個(gè)行波堆方案的計(jì)算結(jié)果?？梢娷娪妙胁?料有著最好的中子性能，在同樣的條件下，可以設(shè)計(jì)出點(diǎn)火區(qū)最少的易裂變材料的濃度，對(duì) 于降低點(diǎn)火階段的反應(yīng)性損失最為有利。不同的點(diǎn)火區(qū)材料組成可以提供點(diǎn)火區(qū)分區(qū)的一 個(gè)有效的選擇。
[0033] 2、增殖區(qū)分區(qū)設(shè)計(jì)：
[0034] a)采用貧鈾，天然鈾，水堆乏燃料乃至釷基材料等不同材料進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)；
[0035] 使用三種材料作為行波堆增殖區(qū)材料，在同樣的條件下分別進(jìn)行計(jì)算，比較keff隨 時(shí)間的變化情況。如圖3可見，水堆乏燃料與低濃鈾的方案在平衡階段的krff比貧鈾裝載 大，說(shuō)明其中子經(jīng)濟(jì)性好，易于形成和維持增殖焚燒行波。不同的增殖區(qū)材料組成可以提供 增殖區(qū)分區(qū)的一個(gè)有效的選擇。
[0036] b)采用低富集度的轉(zhuǎn)換區(qū)材料進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)；
[0037] 采用富集的鈾材料作為轉(zhuǎn)換區(qū)材料，可以有效降低點(diǎn)火所需的中子輻照劑量，并 且提高穩(wěn)定時(shí)期的堆芯剩余反應(yīng)性水平。采用低富集度的轉(zhuǎn)換區(qū)材料，是改善行波堆堆芯 運(yùn)行的性能的有效分區(qū)方式之一。
[0038] c)不同的燃料有效密度；
[0039] 與點(diǎn)火區(qū)類似，采用不同的有效密度的設(shè)計(jì)會(huì)有兩個(gè)方面的影響，一方面可以改 變不同區(qū)域材料的增殖能力，另外還可以通過(guò)不同有效密度的分布來(lái)適應(yīng)不同燃耗深度對(duì) 于材料的要求。
[0040]d)增殖區(qū)布置在點(diǎn)火區(qū)兩側(cè)。
[0041] 圖5是點(diǎn)火區(qū)布置在軸向中間位置的情況下，krff隨時(shí)間變化與一端點(diǎn)火區(qū)布置 方案的比較?？梢娫邳c(diǎn)火階段，點(diǎn)火區(qū)布置在中間位置反應(yīng)性損失會(huì)更緩慢，并且在穩(wěn)定階 段，對(duì)稱行波與單向行波的krff基本相同。達(dá)到了穩(wěn)定階段，行波快堆特點(diǎn)只取決于徑向的 尺寸以及材料等情況。中間點(diǎn)火區(qū)的設(shè)計(jì)，提高了初始階段的中子經(jīng)濟(jì)性，在滿足點(diǎn)火階段 的反應(yīng)性要求前提下，可以設(shè)計(jì)更小的點(diǎn)火區(qū)尺寸。
[0042]3、運(yùn)行方案設(shè)計(jì)
[0043]行波堆的運(yùn)行過(guò)程中，在穩(wěn)定行波形成以后，行波堆的穩(wěn)定焚燒過(guò)程，功率分布和 反應(yīng)性變化都趨于穩(wěn)定，可以充分發(fā)揮出行波式焚燒的優(yōu)勢(shì)。由于燃料段的長(zhǎng)度不可能為 無(wú)限延長(zhǎng)，在堆芯壽期末由于焚燒區(qū)域向燃料區(qū)邊界移動(dòng)，中子的泄漏增加，使得堆芯剩余 反應(yīng)性難以維持。由于增殖行波在壽期末已經(jīng)明顯移出點(diǎn)火區(qū)，故點(diǎn)火區(qū)對(duì)于堆芯剩余反 應(yīng)性的貢獻(xiàn)比較小。行波堆的預(yù)計(jì)運(yùn)行模式由圖6示意，首次裝載的堆芯經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的 運(yùn)行后，將點(diǎn)火區(qū)深度焚燒的乏燃料進(jìn)行處置，并將增殖過(guò)的可轉(zhuǎn)換材料作為新的點(diǎn)火區(qū)， 在兩端添加新轉(zhuǎn)換區(qū)材料，這樣就可以充分發(fā)揮行波堆穩(wěn)定階段焚燒的概念優(yōu)勢(shì)，并且降 低后續(xù)行波堆啟動(dòng)對(duì)于易裂變材料的需求。該運(yùn)行模式的行波堆方案，可以減少過(guò)度焚燒 的乏燃料材料繼續(xù)受到中子輻照。
[0044] 實(shí)施例
[0045] 基于多種分區(qū)方式的堆芯設(shè)計(jì)理念，本實(shí)施例提供了一個(gè)KKKMW電功