惰性基质联合快中子源区嬗变MA技术（FNZCONFU）新方法中子学问题研究

商用裂变核能可持续发展需妥善解决次锕系核素（MA）等废物处置问题，这是核能界目前研究的一个热点。研究表明利用惰性基质技术与现有PWR燃料混合构成CONFU组件，可以有效地降低PWR中MA的产量；若再通过合理的设计，在CONFU组件中构建局部快中子能谱区，则更多的附加废物MA可以被嬗变。即本项目所提出的"惰性基质联合快中子源区嬗变MA技术（FNZCONFU）"新方法。.本项目将探索FNZCONFU方法的中子学问题，开展FNZCONFU嬗变MA机理研究。揭示PWR局部高通量快中子嬗变MA机制、MA的装载对堆芯物理特性参数作用规律；研究MA与惰性基质最佳混合比，FNZCONFU燃耗平衡，MA以待嬗变废物、燃料、可燃毒物三种形式加载时，FNZCONFU的嬗变机理，实现在降低PWR自身MA产量的同时嬗变掉累存的MA。为从源头解决PWR的MA废物量最小化问题提供新的科学方法和理论依据。

针对乏燃料中MA的嬗变处置问题，提出了基于压水堆（PWR）的惰性基质联合快中子源区嬗变MA技术（FNZCONFU）新方法。在国家自然科学基金支持下，本项目首先开展了惰性基质燃料（IMF）的中子学基准问题研究，给出IMF燃料成分对燃料温度系数和空泡系数贡献的计算方法，从核素层面揭示了IMF燃料反应性系数的影响机理。研究表明：239Pu、240Pu、242Pu、232Th是燃料温度系数和空泡系数的主要贡献者；在相同的PuO2质量分数下，由于反应堆级Pu中的240Pu和242Pu的含量更高，使得采用反应堆级Pu的IMF燃料具有更负的燃料温度系数和空泡系数；添加232Th和Er可使得燃料温度系数和空泡系数更负。本项目其次基于典型PWR栅格参数，通过燃料温度系数、慢化剂温度系数等中子学参数随PuO2体积份额的变化，研究了PuO2+MgO+ZrO2和PuO2+ThO2这两种典型IMF燃料在PWR中的设计区间和MA加入后对设计区间的影响，并对比分析了IMF、UO2和MOX燃料在PWR中的燃耗特性。研究表明：对于PuO2+MgO+ZrO2和PuO2+ThO2燃料，PuO2体积份额在1.0%～50% 时负燃料温度系数为负；无硼和1400ppm硼浓度下PuO2体积份额分别在1%～10%、4%～8%和0.5%～20%、1%～20%时，慢化剂温度系数为负；而在IMF燃料中加入MA后，反应性温度系数为负的PuO2体积份额区间得以放宽；与MOX燃料相比，IMF燃料具有更高的Pu和TRU销毁效率（大于30%）；对于最重要的次锕系核素Np，在1040.25天燃耗时间下，IMF燃料产量比UO2、MOX燃料低两个数量级；本项目最后利用IMF燃料作为裂变薄层，快中子源区放置MA，构成FNZCONFU燃料元件，基于典型PWR堆芯参数，计算分析了FNZCONFU燃料元件的燃耗及MA、Pu的积存量。研究表明：在1040.25天燃耗时间下，FNZCONFU元件快中子源区内的237Np嬗变率大于35%、241Am嬗变率大于40%、243Am嬗变率大于37%、MA嬗变率大于30%（最高85.7%）；而包含IMF裂变薄层在内的FNZCONFU元件的总MA净嬗变率大于27%（最高83.3%）。本项目提出的FNZCONFU嬗变MA新方法具有较高的MA嬗变效率，并可基于现有的PWR实现MA嬗变。