压水堆不同燃料体系嬗变次锕系核素研究及手套箱应用分析
发布日期：2026-09-11 浏览次数：9
一、研究基本内容
次锕系核素（MA）主要包含镎、镅、锔等长寿命放射性核素，是高放乏燃料中的核心组分。这类核素半衰期可达数千年甚至数十万年，放射性毒性强，大量累积会显著增加核废物地质处置库的负荷，是制约核能规模化、可持续发展的关键难题。针对长寿命 MA 核素，嬗变技术通过中子辐照将长寿命重核转化为短寿命核素或者稳定核素，降低核废物的放射性风险，是先进核燃料循环体系的重要技术路线。
本研究依托华龙一号 177 组燃料组件压水堆堆芯模型，选取三种主流核燃料体系：二氧化铀（UO₂）、钍铀混合氧化物燃料（(Th, U) O₂）、钚铀混合氧化物燃料（MOX）作为研究对象，在三类燃料基体中均掺入质量分数 0.5% 的 MA 核素，系统开展中子学特性与堆芯安全特性对比研究。研究借助蒙特卡洛中子输运计算程序，模拟堆芯运行工况，重点计算堆芯有效增殖系数
keff、堆内中子通量密度、乏燃料停堆后放射性活度、燃料温度系数αT、缓发中子有效份额βeff、空泡反应性系数αV等关键中子学与安全参数。
研究采用优劣解距离法（TOPSIS）构建多指标综合评价体系，将嬗变能力、放射性水平、堆芯安全特性等多个维度指标归一化，量化对比三种燃料添加 MA 后的综合性能，筛选适配压水堆环境下 MA 嬗变的最优燃料体系。研究结果显示，三种燃料基体掺入 0.5% MA 后，堆芯核心安全参数变化幅度较小，不会显著破坏压水堆固有安全特性；对比 UO₂、MOX 燃料，(Th, U) O₂燃料对 MA 的嬗变效率最优，停堆后乏燃料放射性活度最低，各项堆芯安全参数综合表现更好；TOPSIS 综合评价排序结果为 (Th, U) O₂燃料第一，UO₂燃料次之，MOX 燃料排在第三位。该结论可为压水堆内嵌 MA 嬗变燃料的设计、先进闭式核燃料循环方案的论证提供中子学基础数据支撑。
二、研究方法
（一）堆芯建模与中子学仿真方法
研究以华龙一号 177 组件压水堆堆芯为基准模型，搭建三维堆芯几何模型，分别建立 UO₂、(Th, U) O₂、MOX 三种燃料的计算模型，在燃料芯块内均匀添加质量分数 0.5% 的 MA 核素。采用蒙特卡洛中子输运程序开展粒子输运模拟，该方法无需对中子输运方程做复杂近似，适合复杂燃料体系、重核素体系的中子学精细计算。通过模拟堆芯稳态运行工况，统计得到有效增殖系数
keff、中子通量分布，跟踪 MA 核素在辐照过程中的核素演化，计算不同燃耗深度下的核素存量，以此评估 MA 嬗变效率。同时计算燃料温度系数、空泡反应性系数、缓发中子有效份额等反应性系数，评价堆芯固有安全性能；跟踪辐照结束后乏燃料核素组成，计算停堆后的放射性活度，评估乏燃料后续处置压力。
（二）TOPSIS 多准则综合评价方法
MA 嬗变燃料的评价涉及嬗变性能、堆芯安全、放射性危害等多个相互关联、量纲不同的指标，单一指标无法判定燃料综合优劣。研究选用 TOPSIS 优劣解距离法开展多目标综合评估。首先筛选关键评价指标，构建评价矩阵；对原始指标数据做标准化处理，消除量纲差异；确定指标正负属性，找到最优解、最劣解；计算各方案与最优解、最劣解的欧氏距离，得到相对贴近度，根据贴近度大小完成三种燃料方案排序，实现多维度性能的量化综合评判。
三、当前研究进展
现阶段，国内外对于次锕系核素嬗变的研究主要分为快堆嬗变、压水堆嬗变两大方向。快堆中子能谱硬，MA 嬗变潜力巨大，但快堆工程化建设周期长、成本高。而压水堆是当前商用核电主力堆型，如果能够直接在压水堆燃料中掺入 MA 实现嬗变，可以依托现有核电工业基础，低成本推进 MA 减量化，因此压水堆 MA 嬗变燃料是近年研究热点。
目前已有大量文献针对不同燃料基体掺 MA 开展中子学仿真计算，验证了压水堆内适量添加 MA 不会引发堆芯安全参数剧烈恶化。但多数研究仅聚焦单一燃料体系，缺少 UO₂、(Th, U) O₂、MOX 三类燃料在相同 MA 添加比例、同一堆芯模型下的横向对比，同时缺少多指标综合量化评价。本研究基于华龙一号商用压水堆模型，控制 MA 添加质量分数为 0.5%，统一边界条件，横向对比三种燃料的中子学、安全性能，并且引入 TOPSIS 方法完成综合打分，弥补了同类研究多方案对比不足的问题。
当前该研究仍以数值仿真为主，获得了堆芯中子学与安全参数的理论结果。仿真能够预测核素演化规律与堆芯反应性特性，但仿真结果需要实验进行验证。MA 属于强放射性核素，燃料芯块制备、样品表征、辐照后检验都必须在密闭惰性气氛环境下完成，这就离不开核工业专用手套箱系统作为实验载体。现阶段该方向实验研究开展门槛高，MA 燃料样品制备、辐照后样品检测的相关实验数据仍然比较稀缺，是该领域的研究短板。
四、研究前景
从核能可持续发展角度看，闭式核燃料循环是未来核电发展的核心方向，MA 长寿命核素的减量化处置是闭式循环必须解决的核心环节。压水堆 MA 嬗变技术可复用现有压水堆电站、乏燃料后处理体系，相比新建快堆，产业化落地路径更短。
(Th, U) O₂钍基燃料在本研究中展现出优异的 MA 嬗变能力与低放射性产出特性，钍资源储量丰富，兼具良好的中子学特性，未来有望成为压水堆嬗变 MA 的优选燃料体系。后续研究可以进一步优化 MA 添加比例、芯块结构设计，在嬗变效率和堆芯安全之间寻找最优平衡点。
长远来看，该方向研究成果能够支撑先进核燃料设计、高放废物减量方案制定，降低地质处置库建造压力，提升核燃料资源利用率。但该技术从理论仿真走向工程应用，需要大量放射性样品制备、热物性测试、辐照考验实验支撑，放射性操作的密闭安全环境，也就是手套箱系统，将成为实验平台不可或缺的核心装备。
五、研究中手套箱参与的核心环节及应用解析
本研究虽然现阶段以蒙特卡洛数值模拟为主，但想要完成仿真结果验证、开展 MA 燃料相关实验，从原料制备到辐照后检验全流程都需要在核级手套箱内开展，手套箱是 MA 相关实验研究的基础核心装备。MA 核素具有强放射性、易氧化、高毒性，不能直接暴露在大气环境中，普通实验室环境无法满足操作安全要求，手套箱通过维持密闭惰性气氛，隔离放射性物质与外界环境，保障人员安全，同时保护放射性样品不被空气氧化污染。
1. MA 混合燃料芯块制备环节
实验验证需要制备 UO₂、(Th, U) O₂、MOX 三种基体、掺杂 0.5% MA 的燃料粉末与燃料芯块。原料包含 MA 氧化物粉末、铀氧化物、钍氧化物、钚氧化物粉末。这类粉末放射性强，接触空气容易氧化、吸潮。粉末称量、粉体混合、球磨均匀化、生坯压制成型等操作，必须在核工业密闭手套箱内部完成。手套箱维持高纯氩气惰性气氛，控制箱内水氧含量处于极低水平，防止放射性粉体氧化；箱体负压设计，防止放射性粉尘外泄。操作人员通过箱体外的橡胶手套伸入箱内操作，全程不直接接触放射性物料。粉体混合均匀度直接影响燃料芯块品质，进而影响后续辐照实验的中子学测量结果，手套箱的密闭气氛、粉尘收集系统是保证样品制备质量和人员辐射防护的关键。
2. 燃料芯块烧结与样品前处理环节
压制成型的燃料生坯需要高温烧结，制备致密燃料芯块。烧结炉可集成安装于手套箱腔体内部，样品转运全程在密闭惰性气氛下完成，避免 MA 核素在高温下和空气反应。烧结完成后的芯块，需要开展尺寸测量、密度检测、微观形貌取样等前处理工作，同样在手套箱内实施。如果样品暴露空气，一方面会造成放射性污染扩散，另一方面 MA 氧化物会吸附水汽，改变燃料组分，造成实验数据偏差，影响仿真结果比对验证。
3. 辐照后样品检验（PIE）环节
燃料样品完成堆内辐照考验之后取出，辐照后的 MA 燃料样品放射性极强，存在强 γ、α 辐射，同时样品表面活性高。辐照后样品的核素组分分析、微观结构观测、热物性测试等辐照后检验，全部需要在热室配套的手套箱系统内完成。通过手套箱内取样、制样，利用箱内集成的光谱检测、金相制样设备，测定辐照后样品中 MA 剩余含量，实测嬗变效率，获取核素演化实验数据，用来校核本研究蒙特卡洛程序的计算模型，修正仿真参数。这一步是连接理论仿真与真实堆内行为的关键，没有手套箱密闭操作环境，无法开展 MA 辐照后样品分析。
4. 放射性废料暂存与样品转运环节
MA 燃料实验过程会产生放射性粉尘、边角料、废液等放射性废物。实验产生的放射性废弃物会在手套箱内部完成收集、封装，在密闭腔体内暂存，之后按规范转运至放射性废物处理系统。样品在不同实验工位之间转移时，可通过手套箱传递舱完成密闭转运，全程不破坏密闭屏蔽环境，杜绝放射性物质泄漏风险。
本研究基于华龙一号压水堆模型，采用蒙特卡洛中子学计算结合 TOPSIS 多目标评价方法，对比 UO₂、(Th, U) O₂、MOX 三种燃料嬗变 MA 的性能。研究结果证实 (Th, U) O₂燃料在压水堆 MA 嬗变场景下综合性能最优，且少量 MA 掺杂对堆芯核心安全参数影响有限，为压水堆闭式燃料循环提供理论支撑。该方向目前以数值仿真研究为主，未来实验验证环节高度依赖核级手套箱系统。从 MA 燃料粉体配制、芯块成型烧结，到辐照后样品检测，手套箱提供密闭惰性气氛与辐射防护屏障，是长寿命锕系核素燃料实验必不可少的核心装备。随着先进核燃料嬗变技术持续推进，适配锕系粉末操作、高温样品处理、辐照后检验的特种手套箱，将会在核燃料基础科研平台中拥有广阔应用空间。
参考：压水堆中UO<sub>2</sub>,（Th, U）O<sub>2</sub>和MOX燃料嬗变MA的中子学性能评估 - 中国知网
https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=14XpHnsxtHEE6SO5n7EA0FrzM0P_EZgYCU6KrotoNz-CvQdSzcrN-8SFfpStkC8ACcdDr59_HllaBJT5yxV7BLnze_YmrN05uNOtnMKq5_GHt0fEiIKjiMNUvmCxYOW77ZHcGSjfb6n2qE8-8bnDGjTRllqBnsiJIJfGcihhVGyOgx6Eh5_k6A==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
一、研究基本内容
次锕系核素（MA）主要包含镎、镅、锔等长寿命放射性核素，是高放乏燃料中的核心组分。这类核素半衰期可达数千年甚至数十万年，放射性毒性强，大量累积会显著增加核废物地质处置库的负荷，是制约核能规模化、可持续发展的关键难题。针对长寿命 MA 核素，嬗变技术通过中子辐照将长寿命重核转化为短寿命核素或者稳定核素，降低核废物的放射性风险，是先进核燃料循环体系的重要技术路线。
本研究依托华龙一号 177 组燃料组件压水堆堆芯模型，选取三种主流核燃料体系：二氧化铀（UO₂）、钍铀混合氧化物燃料（(Th, U) O₂）、钚铀混合氧化物燃料（MOX）作为研究对象，在三类燃料基体中均掺入质量分数 0.5% 的 MA 核素，系统开展中子学特性与堆芯安全特性对比研究。研究借助蒙特卡洛中子输运计算程序，模拟堆芯运行工况，重点计算堆芯有效增殖系数
keff、堆内中子通量密度、乏燃料停堆后放射性活度、燃料温度系数αT、缓发中子有效份额βeff、空泡反应性系数αV等关键中子学与安全参数。
研究采用优劣解距离法（TOPSIS）构建多指标综合评价体系，将嬗变能力、放射性水平、堆芯安全特性等多个维度指标归一化，量化对比三种燃料添加 MA 后的综合性能，筛选适配压水堆环境下 MA 嬗变的最优燃料体系。研究结果显示，三种燃料基体掺入 0.5% MA 后，堆芯核心安全参数变化幅度较小，不会显著破坏压水堆固有安全特性；对比 UO₂、MOX 燃料，(Th, U) O₂燃料对 MA 的嬗变效率最优，停堆后乏燃料放射性活度最低，各项堆芯安全参数综合表现更好；TOPSIS 综合评价排序结果为 (Th, U) O₂燃料第一，UO₂燃料次之，MOX 燃料排在第三位。该结论可为压水堆内嵌 MA 嬗变燃料的设计、先进闭式核燃料循环方案的论证提供中子学基础数据支撑。
二、研究方法
（一）堆芯建模与中子学仿真方法
研究以华龙一号 177 组件压水堆堆芯为基准模型，搭建三维堆芯几何模型，分别建立 UO₂、(Th, U) O₂、MOX 三种燃料的计算模型，在燃料芯块内均匀添加质量分数 0.5% 的 MA 核素。采用蒙特卡洛中子输运程序开展粒子输运模拟，该方法无需对中子输运方程做复杂近似，适合复杂燃料体系、重核素体系的中子学精细计算。通过模拟堆芯稳态运行工况，统计得到有效增殖系数
keff、中子通量分布，跟踪 MA 核素在辐照过程中的核素演化，计算不同燃耗深度下的核素存量，以此评估 MA 嬗变效率。同时计算燃料温度系数、空泡反应性系数、缓发中子有效份额等反应性系数，评价堆芯固有安全性能；跟踪辐照结束后乏燃料核素组成，计算停堆后的放射性活度，评估乏燃料后续处置压力。
（二）TOPSIS 多准则综合评价方法
MA 嬗变燃料的评价涉及嬗变性能、堆芯安全、放射性危害等多个相互关联、量纲不同的指标，单一指标无法判定燃料综合优劣。研究选用 TOPSIS 优劣解距离法开展多目标综合评估。首先筛选关键评价指标，构建评价矩阵；对原始指标数据做标准化处理，消除量纲差异；确定指标正负属性，找到最优解、最劣解；计算各方案与最优解、最劣解的欧氏距离，得到相对贴近度，根据贴近度大小完成三种燃料方案排序，实现多维度性能的量化综合评判。
三、当前研究进展
现阶段，国内外对于次锕系核素嬗变的研究主要分为快堆嬗变、压水堆嬗变两大方向。快堆中子能谱硬，MA 嬗变潜力巨大，但快堆工程化建设周期长、成本高。而压水堆是当前商用核电主力堆型，如果能够直接在压水堆燃料中掺入 MA 实现嬗变，可以依托现有核电工业基础，低成本推进 MA 减量化，因此压水堆 MA 嬗变燃料是近年研究热点。
目前已有大量文献针对不同燃料基体掺 MA 开展中子学仿真计算，验证了压水堆内适量添加 MA 不会引发堆芯安全参数剧烈恶化。但多数研究仅聚焦单一燃料体系，缺少 UO₂、(Th, U) O₂、MOX 三类燃料在相同 MA 添加比例、同一堆芯模型下的横向对比，同时缺少多指标综合量化评价。本研究基于华龙一号商用压水堆模型，控制 MA 添加质量分数为 0.5%，统一边界条件，横向对比三种燃料的中子学、安全性能，并且引入 TOPSIS 方法完成综合打分，弥补了同类研究多方案对比不足的问题。
当前该研究仍以数值仿真为主，获得了堆芯中子学与安全参数的理论结果。仿真能够预测核素演化规律与堆芯反应性特性，但仿真结果需要实验进行验证。MA 属于强放射性核素，燃料芯块制备、样品表征、辐照后检验都必须在密闭惰性气氛环境下完成，这就离不开核工业专用手套箱系统作为实验载体。现阶段该方向实验研究开展门槛高，MA 燃料样品制备、辐照后样品检测的相关实验数据仍然比较稀缺，是该领域的研究短板。
四、研究前景
从核能可持续发展角度看，闭式核燃料循环是未来核电发展的核心方向，MA 长寿命核素的减量化处置是闭式循环必须解决的核心环节。压水堆 MA 嬗变技术可复用现有压水堆电站、乏燃料后处理体系，相比新建快堆，产业化落地路径更短。
(Th, U) O₂钍基燃料在本研究中展现出优异的 MA 嬗变能力与低放射性产出特性，钍资源储量丰富，兼具良好的中子学特性，未来有望成为压水堆嬗变 MA 的优选燃料体系。后续研究可以进一步优化 MA 添加比例、芯块结构设计，在嬗变效率和堆芯安全之间寻找最优平衡点。
长远来看，该方向研究成果能够支撑先进核燃料设计、高放废物减量方案制定，降低地质处置库建造压力，提升核燃料资源利用率。但该技术从理论仿真走向工程应用，需要大量放射性样品制备、热物性测试、辐照考验实验支撑，放射性操作的密闭安全环境，也就是手套箱系统，将成为实验平台不可或缺的核心装备。
五、研究中手套箱参与的核心环节及应用解析
本研究虽然现阶段以蒙特卡洛数值模拟为主，但想要完成仿真结果验证、开展 MA 燃料相关实验，从原料制备到辐照后检验全流程都需要在核级手套箱内开展，手套箱是 MA 相关实验研究的基础核心装备。MA 核素具有强放射性、易氧化、高毒性，不能直接暴露在大气环境中，普通实验室环境无法满足操作安全要求，手套箱通过维持密闭惰性气氛，隔离放射性物质与外界环境，保障人员安全，同时保护放射性样品不被空气氧化污染。
1. MA 混合燃料芯块制备环节
实验验证需要制备 UO₂、(Th, U) O₂、MOX 三种基体、掺杂 0.5% MA 的燃料粉末与燃料芯块。原料包含 MA 氧化物粉末、铀氧化物、钍氧化物、钚氧化物粉末。这类粉末放射性强，接触空气容易氧化、吸潮。粉末称量、粉体混合、球磨均匀化、生坯压制成型等操作，必须在核工业密闭手套箱内部完成。手套箱维持高纯氩气惰性气氛，控制箱内水氧含量处于极低水平，防止放射性粉体氧化；箱体负压设计，防止放射性粉尘外泄。操作人员通过箱体外的橡胶手套伸入箱内操作，全程不直接接触放射性物料。粉体混合均匀度直接影响燃料芯块品质，进而影响后续辐照实验的中子学测量结果，手套箱的密闭气氛、粉尘收集系统是保证样品制备质量和人员辐射防护的关键。
2. 燃料芯块烧结与样品前处理环节
压制成型的燃料生坯需要高温烧结，制备致密燃料芯块。烧结炉可集成安装于手套箱腔体内部，样品转运全程在密闭惰性气氛下完成，避免 MA 核素在高温下和空气反应。烧结完成后的芯块，需要开展尺寸测量、密度检测、微观形貌取样等前处理工作，同样在手套箱内实施。如果样品暴露空气，一方面会造成放射性污染扩散，另一方面 MA 氧化物会吸附水汽，改变燃料组分，造成实验数据偏差，影响仿真结果比对验证。
3. 辐照后样品检验（PIE）环节
燃料样品完成堆内辐照考验之后取出，辐照后的 MA 燃料样品放射性极强，存在强 γ、α 辐射，同时样品表面活性高。辐照后样品的核素组分分析、微观结构观测、热物性测试等辐照后检验，全部需要在热室配套的手套箱系统内完成。通过手套箱内取样、制样，利用箱内集成的光谱检测、金相制样设备，测定辐照后样品中 MA 剩余含量，实测嬗变效率，获取核素演化实验数据，用来校核本研究蒙特卡洛程序的计算模型，修正仿真参数。这一步是连接理论仿真与真实堆内行为的关键，没有手套箱密闭操作环境，无法开展 MA 辐照后样品分析。
4. 放射性废料暂存与样品转运环节
MA 燃料实验过程会产生放射性粉尘、边角料、废液等放射性废物。实验产生的放射性废弃物会在手套箱内部完成收集、封装，在密闭腔体内暂存，之后按规范转运至放射性废物处理系统。样品在不同实验工位之间转移时，可通过手套箱传递舱完成密闭转运，全程不破坏密闭屏蔽环境，杜绝放射性物质泄漏风险。
本研究基于华龙一号压水堆模型，采用蒙特卡洛中子学计算结合 TOPSIS 多目标评价方法，对比 UO₂、(Th, U) O₂、MOX 三种燃料嬗变 MA 的性能。研究结果证实 (Th, U) O₂燃料在压水堆 MA 嬗变场景下综合性能最优，且少量 MA 掺杂对堆芯核心安全参数影响有限，为压水堆闭式燃料循环提供理论支撑。该方向目前以数值仿真研究为主，未来实验验证环节高度依赖核级手套箱系统。从 MA 燃料粉体配制、芯块成型烧结，到辐照后样品检测，手套箱提供密闭惰性气氛与辐射防护屏障，是长寿命锕系核素燃料实验必不可少的核心装备。随着先进核燃料嬗变技术持续推进，适配锕系粉末操作、高温样品处理、辐照后检验的特种手套箱，将会在核燃料基础科研平台中拥有广阔应用空间。
参考：压水堆中UO<sub>2</sub>,（Th, U）O<sub>2</sub>和MOX燃料嬗变MA的中子学性能评估 - 中国知网
https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=14XpHnsxtHEE6SO5n7EA0FrzM0P_EZgYCU6KrotoNz-CvQdSzcrN-8SFfpStkC8ACcdDr59_HllaBJT5yxV7BLnze_YmrN05uNOtnMKq5_GHt0fEiIKjiMNUvmCxYOW77ZHcGSjfb6n2qE8-8bnDGjTRllqBnsiJIJfGcihhVGyOgx6Eh5_k6A==&uniplatform=NZKPT&language=CHS
