专利摘要

专利摘要

本发明涉及行波式焚烧快堆的设计技术，具体涉及一种多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯设计方案。该堆芯结构包括点火区和增殖区，其中，所述的点火区位于堆芯轴向的中间位置，在点火区的轴向两端分别设置所述增殖区；所述点火区分为内点火区、外点火区和内区中心区，所述外点火区位于所述内点火区的径向外侧，所述内区中心区位于所述内点火区的轴向中间位置；所述增殖区分为内增殖区、外增殖区，所述外增殖区位于所述内增殖区的径向外侧。本发明所提供的行波堆多种分区设计结构，可以有效优化行波堆的堆芯性能，降低行波堆对于燃料材料极深燃耗的需求，充分结合现实工艺水平实现行波式的增殖焚烧运行快堆设计。

权利要求

1.一种多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，包括点火区和增殖区，其特征在于：所述的点火区位于堆芯轴向的中间位置，在点火区的轴向两端分别设置所述增殖区；所述点火区分为内点火区(1)、外点火区(2)和内区中心区(3)，所述外点火区(2)位于所述内点火区(1)的径向外侧，所述内区中心区(3)位于所述内点火区(1)的轴向中间位置；所述增殖区分为内增殖区(4)、外增殖区(5)，所述外增殖区(5)位于所述内增殖区(4)的径向外侧；所述点火区的燃料采用U-Pu-10Zr合金，内点火区燃料的有效密度小于外点火区燃料的有效密度；所述内增殖区(4)的燃料采用天然铀U-10Zr合金，所述外增殖区(5)的燃料采用模拟的乏燃料组成的HM-10Zr合金，内增殖区燃料的有效密度小于外增殖区燃料的有效密度，且大于外点火区燃料的有效密度。

2.如权利要求1所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其特征在于：所述的内点火区燃料中Pu占重核的质量份额为14.1％，所述外点火区和内区中心区燃料中Pu占重核的质量份额为12.6％。

3.如权利要求1所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其特征在于：所述内点火区燃料的有效密度为62％TD，所述外点火区燃料的有效密度为68％TD，所述内增殖区燃料的有效密度为70％TD，所述外增殖区燃料的有效密度为78％TD。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其特征在于：所述的增殖区的轴向外侧以及点火区和增殖区的径向外侧分别设有不锈钢反射层组件(6、7)。

5.如权利要求1所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其特征在于：堆芯的运行模式为：首次装载的堆芯经过一定时间的运行后，增殖行波已经明显移出点火区，将点火区深度焚烧的乏燃料进行处置，并将增殖过的可转换材料作为新的点火区，在原增殖区的轴向两端添加新的增殖区材料，从而充分发挥行波堆稳定阶段焚烧的优势，并且降低后续行波堆启动对于易裂变材料的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及行波式焚烧快堆的设计技术，具体涉及一种多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯设计方案。

背景技术

行波式焚烧快堆不同于现有商业化的堆，它可以通过对抑制堆芯燃料的分布和运行，核燃料可以从一端富集启动点燃，裂变产生的多余中子将周围不能裂变的U-238转化成Pu-239，当达到一定浓度之后，形成裂变反应，同时开始焚烧在原位生成的燃料，形成行波。行波以增殖波先行焚烧波后续，一次性装量可以连续运行数十年甚至上百年。除最初的启动源需要浓缩铀，其他所有燃烧都可以来自天然铀或压水堆卸出的贫铀，因此运行中不需要分离浓缩。形象的说，行波堆像“蜡烛”，用火柴点燃后逐渐烧尽，并可以点燃其他堆芯。

理论上，行波快堆具有简化燃料处理流程和提升快堆防扩散能力等显著特点，但该项技术要达到成熟化；还需要燃料材料等一系列重大技术问题的突破，这将是一个较长的过程，并且结果存在一定的不确定性。

行波堆的堆芯设计是行波堆关键技术之一，由于一方面行波堆运行需要达到比较深的燃耗深度，深燃耗运行过程中堆芯主要性能参数随时间将产生明显的变化，功率分布等分布性参数将会产生明显“漂移”的趋势。另一方面由于材料工艺水平限制，峰值燃耗水平将限制行波堆的运行参数，需要在初始的堆芯设计优化阶段，充分考虑燃耗及结构材料dpa的展平和优化。另外，由于行波堆全寿期不换料，增加了堆芯物理、热工、力学等各种设计限制相互关联和制约，极大增加了设计难度。

发明内容

本发明的目的是在充分考虑工艺水平限制条件的前提下，借鉴传统快堆的设计方法，提供一种多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯设计方案，实现行波式焚烧快堆堆芯性能的优化。

本发明的技术方案如下：一种多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，包括点火区和增殖区，其中，所述的点火区位于堆芯轴向的中间位置，在点火区的轴向两端分别设置所述增殖区；所述点火区分为内点火区、外点火区和内区中心区，所述外点火区位于所述内点火区的径向外侧，所述内区中心区位于所述内点火区的轴向中间位置；所述增殖区分为内增殖区、外增殖区，所述外增殖区位于所述内增殖区的径向外侧；所述点火区的燃料采用U-Pu-10Zr合金，内点火区燃料的有效密度小于外点火区燃料的有效密度；所述内增殖区的燃料采用天然铀U-10Zr合金，所述外增殖区的燃料采用模拟的乏燃料组成的HM-10Zr合金，内增殖区燃料的有效密度小于外增殖区燃料的有效密度，且大于外点火区燃料的有效密度。

进一步，如上所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其中，所述的内点火区燃料中Pu占重核的质量份额为14.1％，所述外点火区和内区中心区燃料中Pu占重核的质量份额为12.6％。

进一步，如上所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其中，所述内点火区燃料的有效密度为62％TD，所述外点火区燃料的有效密度为68％TD，所述内增殖区燃料的有效密度为70％TD，所述外增殖区燃料的有效密度为78％TD。

进一步，如上所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其中，所述的增殖区的轴向外侧以及点火区和增殖区的径向外侧分别设有不锈钢反射层组件。

进一步，如上所述的多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯，其中，堆芯的运行模式为：首次装载的堆芯经过一定时间的运行后，增殖行波已经明显移出点火区，将点火区深度焚烧的乏燃料进行处置，并将增殖过的可转换材料作为新的点火区，在原增殖区的轴向两端添加新的增殖区材料，从而充分发挥行波堆稳定阶段焚烧的优势，并且降低后续行波堆启动对于易裂变材料的需求。

本发明的有益效果如下：本发明所提供的行波堆多种分区设计结构，可以有效优化行波堆的堆芯性能，降低行波堆对于燃料材料极深燃耗的需求，充分结合现实工艺水平实现行波式的增殖焚烧运行快堆设计；一般的行波堆最大的燃耗需要达到50at.％，包壳最大辐照损伤在800dpa以上，应用本发明的设计可以将行波堆的峰值燃耗水平降低至30at.％以下，峰值辐照损伤水平降低至500dpa以下；通过本发明的分区设计，可以降低燃料组件功率随着燃耗时间的变化，燃料组件功率在运行寿期内变化小于10％，易于实现固定流量分配的热工水力学设计，使得堆芯组件出口温度在运行寿期内变化在一个可接受的范围内。

附图说明

图1为添加可燃毒物对于运行过程中反应性变化的影响示意图；

图2为不同点火区材料对于运行过程中反应性变化的影响示意图；

图3为不同增殖区材料对于运行过程中反应性变化的影响示意图；

图4为采用贫铀与低富集铀对于运行过程中反应性变化的影响示意图；

图5为不同点火区布置对于运行过程中反应性变化的影响示意图；

图6为行波堆长期运行的分区换料运行方案示意图；

图7为行波堆堆芯分区设计布置的示意图；

图8为堆芯组件布置图；

图9为运行过程中堆芯keff随燃耗积累的变化示意图；

图10为运行过程中各燃料区组件功率水平随着燃耗积累的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明是通过行波堆的多分区方式来实现长寿期的稳定运行，下面对点火区以及增殖区的分区方式进行分别的描述，并且给出了基于分区设计的长期运行方案设计。

1、点火区分区设计：

a)燃料富集度；

燃料富集度的分区设计是常规快堆中通常采用的分区方式，可以有效的展平堆芯不同区域的功率分布，同时有效展平燃料的燃耗分布，提高平均卸料燃耗水平。

b)可燃毒物添加；

添加均匀的可燃毒物吸收体材料，最初的考虑是在增殖区内添加，来控制行波传播速度，并且随着行波移动释放反应性。如图1所示，是比较点火区添加少量均匀的可燃毒物硼的情况下，k_eff随着时间的变化。可见，添加一定份额的可燃吸收体，对于初始阶段的反应性变化，有了明显的改善。优化设计时候，可以考虑在点火区添加少量的浓缩硼。

c)不同的燃料有效密度；

燃料的有效密度是指，拥有理论的密度燃料材料在包壳内部的所占的体积份额。采用不同的有效密度的设计会对堆芯有三个方面的影响，一方面可以改变不同区域的易裂变核素含量，一方面可以改变不同区域材料的增殖能力，另外还可以通过不同有效密度的分布来适应不同燃耗深度对于材料的要求。

d)不同同位素成分的点火区易裂变材料。

铀钚循环的点火区材料有两种选择：浓缩铀合金与铀钚合金。不同的钚的同位素组成对于中子学性能也将产生较为明显的影响。如图2是分别使用浓缩铀、工业钚、及军用钚作为点火区材料，在其他条件相同的情况下，三个行波堆方案的计算结果。可见军用钚材料有着最好的中子性能，在同样的条件下，可以设计出点火区最少的易裂变材料的浓度，对于降低点火阶段的反应性损失最为有利。不同的点火区材料组成可以提供点火区分区的一个有效的选择。

2、增殖区分区设计：

a)采用贫铀，天然铀，水堆乏燃料乃至钍基材料等不同材料进行分区设计；

使用三种材料作为行波堆增殖区材料，在同样的条件下分别进行计算，比较k_eff随时间的变化情况。如图3可见，水堆乏燃料与低浓铀的方案在平衡阶段的k_eff比贫铀装载大，说明其中子经济性好，易于形成和维持增殖焚烧行波。不同的增殖区材料组成可以提供增殖区分区的一个有效的选择。

b)采用低富集度的转换区材料进行分区设计；

采用富集的铀材料作为转换区材料，可以有效降低点火所需的中子辐照剂量，并且提高稳定时期的堆芯剩余反应性水平。采用低富集度的转换区材料，是改善行波堆堆芯运行的性能的有效分区方式之一。

c)不同的燃料有效密度；

与点火区类似，采用不同的有效密度的设计会有两个方面的影响，一方面可以改变不同区域材料的增殖能力，另外还可以通过不同有效密度的分布来适应不同燃耗深度对于材料的要求。

d)增殖区布置在点火区两侧。

图5是点火区布置在轴向中间位置的情况下，k_eff随时间变化与一端点火区布置方案的比较。可见在点火阶段，点火区布置在中间位置反应性损失会更缓慢，并且在稳定阶段，对称行波与单向行波的k_eff基本相同。达到了稳定阶段，行波快堆特点只取决于径向的尺寸以及材料等情况。中间点火区的设计，提高了初始阶段的中子经济性，在满足点火阶段的反应性要求前提下，可以设计更小的点火区尺寸。

3、运行方案设计

行波堆的运行过程中，在稳定行波形成以后，行波堆的稳定焚烧过程，功率分布和反应性变化都趋于稳定，可以充分发挥出行波式焚烧的优势。由于燃料段的长度不可能为无限延长，在堆芯寿期末由于焚烧区域向燃料区边界移动，中子的泄漏增加，使得堆芯剩余反应性难以维持。由于增殖行波在寿期末已经明显移出点火区，故点火区对于堆芯剩余反应性的贡献比较小。行波堆的预计运行模式由图6示意，首次装载的堆芯经过一定时间的运行后，将点火区深度焚烧的乏燃料进行处置，并将增殖过的可转换材料作为新的点火区，在两端添加新转换区材料，这样就可以充分发挥行波堆稳定阶段焚烧的概念优势，并且降低后续行波堆启动对于易裂变材料的需求。该运行模式的行波堆方案，可以减少过度焚烧的乏燃料材料继续受到中子辐照。

实施例

基于多种分区方式的堆芯设计理念，本实施例提供了一个1000MW电功率的典型行波堆的堆芯概念设计方案。其具体方案描述以及堆芯性能参数如下，

1、材料选择及燃料组件设计

堆芯材料选择方面，行波堆的原位增殖焚烧模式对于堆芯中子经济性的要求非常高，需要堆芯内增殖能力很强以维持燃耗过程中堆芯在整个寿期内的剩余反应性，故行波堆堆芯燃料需要采用金属燃料。行波堆运行过程中主要发热区域会随着燃耗时间缓慢移动，对于冷却剂导出热量的能力有比较高的需求，在本实施例中采用载热能力强的液态金属钠作为冷却剂。行波堆的主要技术挑战为高结构材料辐照损伤，当前抗辐照损伤的结构材料仅支持200dpa辐照损伤的水平，本实施例中采用当前抗辐照性能有希望达到较高水平的ODS不锈钢作为堆芯结构材料。

由于行波堆对于堆芯中子经济性要求比较高，在行波堆中用U作为增殖燃料的同时最好用Pu作为驱动燃料，同时在其中加入Zr可以提高合金的熔点和固相线。Zr的含量应该不高于10％，因为Zr含量太高金属燃料的增殖比会逐渐减少，而且加工难度会增加。同时合金中Pu的含量对金属燃料的固相线温度有很大影响，燃料的固相线温度随Pu含量的加大而减少，Pu的含量应该不大于20％。基于以上考虑，堆芯点火区采用U-Pu-10Zr合金燃料，增殖区采用U-10Zr燃料。

燃料采用通气式设计，以降低高燃耗下燃料包壳内的裂变气体压力。燃料段高度为2m，高于传统快堆燃料组件的设计参数，为参考国际上行波堆堆芯的设计参数。燃料芯块为环形燃料设计，降低燃料中心温度。芯包结合设计采用新型结合层，降低燃料组件栅元内Na的体积份额，硬化中子能谱，降低堆芯的钠空泡引起的正反应性效应。包壳材料采用耐辐照的HT-9或者ODS不锈钢。燃料组件的主要设计参数如表1所示。

表1燃料组件主要设计参数

2、堆芯设计

堆芯设计为展平初始功率分布，降低功率峰因子，减小过渡阶段的反应性变化，同时降低峰值燃耗，采用了多分区设计方案和对称布置原则。采用增殖区布置在点火区两端的方案，提高点火阶段中子经济性，减少初始易裂变材料装载量，同时实现一个点火区驱动双向行波焚烧的运行。

堆芯方案的轴向剖面示意图如图7所示，堆芯燃料区采用不同的分区设计。点火区位于堆芯轴向的中间位置，在点火区的轴向两端分别设置增殖区；所述点火区分为内点火区1、外点火区2和内区中心区3，所述外点火区2位于所述内点火区1的径向外侧，所述内区中心区3位于所述内点火区1的轴向中间位置；所述增殖区分为内增殖区4、外增殖区5，所述外增殖区5位于所述内增殖区4的径向外侧。

点火区采用U-Pu-10Zr合金作为驱动燃料，为了提高点火区泄漏出的中子利用效率，点火区布置在堆芯轴向中间位置，高度为80cm。径向上点火区分内外区布置，点火区内区与点火区外区采用不同的燃料有效密度设计，内区有效密度较小为62％TD，以适应较大的燃耗积累，外区有效密度较大为68％TD。考虑降低点火阶段的燃耗反应性变化，点火区内区轴向设计成为“夹心”形，内区中心区富集度较低，轴向厚度为20cm。点火区燃料共有两种富集度，内区燃料中Pu占重核的质量份额为14.1％，内区中心区及外区燃料中Pu占重核的质量份额为12.6％。

增殖区位于点火区的两端，总长度为120cm。径向上，转换区也采用内外分区设计，内区燃料采用天然铀U-10Zr合金，外区重核采用模拟的乏燃料组成的HM-10Zr合金。增殖区燃料的有效密度设计比点火区大，并且增殖区内区采用较小的有效密度70％TD，外区采用较大的有效密度78％TD，以适应燃耗的径向不均匀特性，并且延缓随着燃耗时间增加功率密度延径向向内移动的趋势。

增殖区外采用不锈钢作为反射层，上下反射层6的厚度均为50cm，径向布置三圈不锈钢反射层组件7。

堆芯组件布置如图8所示，堆芯燃料组件由内到外分为4区，其中燃料组件共552盒。为满足反应性控制及停堆安全需求，共设计31盒控制棒组件位置，其中补偿棒19盒，调节棒2盒，安全棒10盒。堆芯燃料区等效直径约为4.92m。第4区燃料组件外面为反射层组件，用于提高堆芯中子性能。本实施例中的行波堆寿期内不考虑换料，不设乏燃料储存位置。堆芯采用固定屏蔽设计，径向屏蔽材料设置在最外围组件外部，采用自然冷却并全寿期不更换。

主要堆芯参数如表2所示，堆芯额定热功率2500MW，初步设计的堆芯运行寿期为6000有效满功率天(EFPD)。堆芯初始装载Pu质量7.9t，总重金属(HM)质量161.3t，燃料区总高度为200cm，燃料区等效直径约为4.92cm。

表2堆芯基本参数

注：①表示²³⁸Pu:²³⁷Pu:²⁴⁰Pu:²⁴¹Pu:²⁴²Pu

②内区为0.7％的天然铀，外区重核为模拟的水堆乏燃料成分，其中去除了裂变产物，成分中含2％²³⁵U，2％Pu，和96％²³⁸U。

3、堆芯方案的主要性能参数

本实施例的设计，综合考虑了行波堆运行过程中的特点和各种限制因素，整个寿期运行过程中，堆芯剩余反应性变化很小；各燃料区平均组件功率变化较小，易于实现固定流量分区设计，满足寿期内组件功率流量比变化的限制条件；最大线功率满足金属燃料棒的一般限值条件，并且最大线功率水平随着运行时间积累不断降低，有利于燃料棒性能的维持；堆芯增殖行波和焚烧行波沿着组件轴向从中心向两边缓慢移动，有利于堆芯的长寿命稳定运行。堆芯反应性的变化如图9所示。

燃料的轴向分区设计，以及燃料组件的径向分区设计，优化了运行过程中堆芯功率分布径向的变化，使得运行过程中4个燃料区的燃料组件平均功率相对水平基本保持不变。燃料组件各区功率的相对值变化如图10所示。整个寿期内各区燃料组件的平均功率变化在10％以下，使得堆芯燃料组件的流量分区可以采用传统固定流量分配的设计，并更容易满足全寿期热工水力设计需求。

该实施例可以得到的热工水力学方案设计结果如下，满足钠冷快堆及金属燃料的一般设计限值条件：

a)堆芯最高子通道钠温为577.4℃，低于常压下的钠沸点881℃。

b)考虑3σ的计算不确定度后，包壳内壁最高温度为623.9℃，低于包壳内壁最高温度限值650℃。

c)考虑3σ的计算不确定度后，燃料中心最高温度为857.0℃，低于燃料熔点934℃。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

一种多分区模式的行波式焚烧长寿命堆芯专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。