先进嬗变燃料元件的设计、制备及性能研究

Transmutation fuel element is an important part of the accelerator-driven subcritical system (ADS), which plays an important role on the system's security and economy. Based on the ADS program in China, this project is to design, manufacture and characterize Sphere-Pac fuel element. The neutronic calculation, thermal-hydraulic behavior and system security analysis will be done to design the fuel element. Np valence change and regulation mechanism, the influence of the valence change on the gelation process and fuel microstructure, as well as microwave gelation mechanism will be studied. Internal gelation combined with microwave heating and sintering process is adopted to prepare microspherical fuel, and Sphere-Pac fuel element samples are fabricated to fill the blank for our country in this field. The research results of the project can lay a foundation for our implementation of the ADS project, and provide theoretical and technical support for other advanced reactor fuel.

嬗变燃料元件是加速器驱动次临界系统（ADS）的重要组成部分，对系统的安全性、经济性有着重要的影响。本项目以ADS为应用背景，开展微球填充型（Sphere-Pac）嬗变燃料元件的设计、制备及性能研究: 利用中子学、热工水力和系统安全分析，对气冷ADS的燃料元件进行设计；研究镎（Np）水溶液价态变化及调控机理、变价对凝胶过程以及燃料显微结构的影响, 研究微波固化机理，为先进燃料的研发提供理论依据和工艺基础；采用内凝胶与微波加热、微波烧结相结合的工艺制备出满足设计指标的嬗变燃料微球，并制备出Sphere-Pac型燃料元件样品，填补国内在该领域的空白。项目的研究成果可以为我国ADS项目的实施奠定基础，同时为其他先进反应堆的燃料设计、制备等提供理论和技术指导。

核能发展将产生大量核废料，加速器嬗变次锕系元素（MA）是减少核废料的重要方法。中国将发展加速器嬗变次临界装置，该装置燃料元件主要形式为含有次锕系元素的陶瓷微球，填充在金属或陶瓷包壳管内。项目主要任务设计燃料元件、研制新工艺新设备，解决含有MA燃料微球制备困难、内凝胶工艺废液量大的难题。主要结果：.一、.堆工计算软件开发.开发了基于Free-CAD的三维建模辅助软件CAD-PSFO的开发，用于CiADS的中子学计算，提高效率和准确度；开发了基于Bateman方程的燃耗程序—TTA方法，解决传统的燃耗求解无法考虑重核燃耗的困难，软件具有创新性，满足实际工程需要。.二、.元件设计. 设计了燃料棒束结构，计算压力降，计算元件棒束温度分布、应力应变、以及设计元件微球的尺寸、堆积密度和组元，微球基本性能要求。微球设计指标：微球直径500微米和70微米，分别占质量百分数76%和24%，堆积密度80%。进行了微球生产工艺、生产能力和车间设计。.三、. 元件制造工艺和设备更新研究. 对于传统内胶凝技术，由于存在低温操作、废液量大的缺点，通过项目实施，采用溶液单独存放、在线混合分散、微波凝胶的新工艺新设备，避免低温操作，同时解决MA释放热导致凝胶的问题。由于不使用硅油，大幅度减少放射性废液数量。研制的设备生产能力每批2kg，成品稳定在85%以上。 研究了多种陶瓷介孔微球的内胶凝工艺，获得工艺参数，为今后中试、批量化生产奠定基础。采用注凝、反应固化、蜡凝技术等，可以提高微球液滴的固相含量，减少后续破碎、提高成品率，减少废液，小试完成，实验表明今后发展具有好的前景。. 发表科技论文30篇，培养博士生3名，技术骨干4名，申报发明专利2项。