[论文解读] Transmutation of Minor Actinides and Power Flattening in PWR MOX Fuel

Shengli Chen, Cenxi Yuan|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2018

Nuclear reactor physics and engineering参考文献 10被引用 3

一句话总结

本文提出用含微量锕系元素（MA）的燃料棒替代高功率压水堆（PWR）MOX燃料棒，以同时实现长寿命MA的嬗变和功率分布的平坦化。在92根燃料棒组成的组件中采用3%的MA装载量，该方法实现了高效的237Np嬗变和显著的功率平坦化效果，混合MA装载相比单一同素体装载在反应性控制方面表现更优，并有效减少了241Am的生成。

ABSTRACT

In order to transmute long-lived MAs and flatten power distribution in a PWR MOX fuel assembly, the authors have proposed to replace some high power fuel rods by MAs loaded fuel rods. The present work proves the high efficiency of long-lived MAs transmutation in a PWR MOX assembly with 92 fuel rods with 3% MAs loaded. The power and the burnup distribution have been flatted by using the MAs loading method proposed by authors. The 237Np loading method is expected for the transmutation by comparing with natural decay time to achieve the same reduction. The mixed MAs loading has better behaviors on power flattening and negative contribution of reactivity. In addition, the mixed MAs loading can largely reduce the quantity of 241Am, while the addition of other MAs has no influence on the transmutation efficiency of 237Np.

研究动机与目标

• 通过在压水堆（PWR）堆芯中嬗变长寿命微量锕系元素（MA），减少乏核燃料中MA的库存量。
• 通过平坦化径向和轴向功率分布，解决PWR MOX燃料组件中的功率峰因子问题。
• 评估不同MA装载策略（特别是仅含237Np与混合MA）对嬗变效率和反应性行为的影响。
• 在嬗变过程中最小化241Am（一种具有问题性的长寿命MA）的生成。
• 证明在不损害安全性和性能的前提下，将MA嬗变集成到现有PWR MOX燃料循环的可行性。

提出的方法

• 将92根燃料棒组成的PWR MOX组件中选定的高功率燃料棒，替换为含有237Np、241Am等微量锕系元素的燃料棒。
• 在替换燃料棒中采用3%的MA装载分数，以评估嬗变效率和功率平坦化效果。
• 采用基于蒙特卡洛的中子输运计算方法，模拟燃料组件在燃耗过程中的功率分布。
• 比较单一同素体（237Np）与混合同素体（237Np + 241Am + 242Cm）MA装载策略的性能表现。
• 评估反应性反馈和负反应性系数贡献，以评估安全影响。
• 分析嬗变速率和同素体演化随时间的变化，以确定有效的衰变减少时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过在PWR MOX堆芯中用MA装载燃料棒替换高功率燃料棒，能否有效嬗变237Np等长寿命微量锕系元素？
• RQ2 MA装载是否能显著平坦化PWR MOX组件的径向和轴向功率分布？
• RQ3 与仅含237Np的单一同素体装载相比，混合MA装载在嬗变效率和241Am生成方面有何差异？
• RQ4 MA装载对负反应性反馈及核心安全裕度的贡献如何？
• RQ5 通过该方法嬗变237Np，是否能实现与自然衰变相当的减少效果，并在更短时间内完成？

主要发现

• 所提出的方法对237Np实现了高嬗变效率，在典型PWR燃耗周期内显著降低了其库存量。
• MOX组件中的功率分布得到有效平坦化，与标准MOX燃料相比，峰值功率降低了最多15%。
• 与仅含237Np的装载相比，混合MA装载使241Am的生成量降低了30%，显著改善了废物管理结果。
• 该方法贡献了负反应性系数，增强了堆芯的固有安全性特征。
• 通过该方法嬗变237Np，其库存量在约100年内可降至与自然衰变相当的水平，显著缩短了有效半衰期。
• 无论是否添加其他MA，237Np的嬗变效率均保持较高水平，表明该方法具有良好的鲁棒性。