钠冷快堆中的结构材料全解

中国实验快堆主要材料
堆容器及堆内主要部件 泵支承
材料：俄罗斯产 08X16H11M3 功能：钠泵的支承结构 环境：钠温400oC 寿期最大中子注量 ≤ 1x1018n/cm2
中国实验快堆主要材料
堆容器及堆内主要部件 中间热交换器
材料：管材及壳体 俄罗斯产 08X16H11M3 支承：国产304SS 环境：钠温516-310oC 寿期最大中子注量 ≤ 1x1018n/cm2
中国实验快堆主要材料
堆容器及堆内主要部件 堆芯围桶
材料：俄罗斯产 08X16H11M3 功能：保持堆芯组件 结构完整性 重量：约6吨 环境：钠温360-530oC 寿期最大中子注量 ≤4x1023n/cm2
中国实验快堆主要材料
堆容器及堆内主要部件 压力管部件
材料：俄罗斯产 08X16H11M3 功能：将高温液态钠 导入堆芯和中 间热交换器 环境：钠温360oC 寿期最大中子注量 1x1018n/cm2
控制棒组件
调节棒 补偿棒
中子源组件 不锈钢屏蔽组件 硼屏蔽组件
600 （max） 3.2x1015 550 (max) 3.8x1015
中国实验快堆主要材料
堆容器及堆内主要部件
堆内部件材料大部分 采用进口材料（瑞典 和俄罗斯产） 部分材料使用国产不 锈钢
中国实验快堆主要材料
堆容器及堆内主要部件 主容器 材料：瑞典进口奥氏体钢316SS 功能：堆芯、堆内部件及高温 液态钠的容器 尺寸：内径为7960mm，壁厚 50mm/25mm（最大/最小） 重量：105吨 环境：钠温420oC 寿期最大中子注量 ≤1x1018n/cm2
Corrosion test under stress
钠冷快堆结构材料使用性能研究
材料与高温钠的相容性
蠕变
双轴蠕变试验装置
装置参数: 试验段温度: 550oC 最大载荷: 200MPa 钠中氧含量: 10-20ppm
装置参数: 试验段温度: 200-800oC 最大载荷: 50kN 钠中氧含量: 10-20ppm
高温钠热对流回路
钠冷快堆结构材料使用性能研究
材料与高温钠的相容性
质量迁移效应
purification by-pass
cold leg
hot leg
高温钠质量迁移试验回路
装置参数: 总电功率: ～ 85kW 总容积: ～ 0.125m3 高温试验段温度: 550-600oC 低温试验段温度: 350-400oC 最大温差: 250oC
上轴向 转换区 包壳
外套管
燃料区
下轴向 转换区 堆芯支撑 金属绕丝
下端塞
钠入口
燃料组件
13
中国实验快堆主要材料
CEFR 堆芯燃料组件及控制棒组件材料
材 料 包 壳 燃料组件 安全棒 ЧC-68 ЧC-68 ЧC-68 ЧC-68 ЧC-68 316Ti 316Ti 外套管 эп-450 08X16H11M3 08X16H11M3 08X16H11M3 08X16H11M3 316Ti 316Ti 温 度 （oC） 360-560 360-550 360-548 360-554 360-530 中子通量 （n/cm2s） 6.6x1015 ≤3.2x1015 ≤3.2x1015 ≤3.2x1015 3.2x1015
核电材料应用技术国际研讨会
三亚, 2011年2月21日-25日
钠冷快堆中的结构材料
龙 斌 韩丽萍 张金权 付晓刚 秦博 苏喜平 周培德 张东辉
中国原子能科学研究院 国家能源快堆工程技术研发（实验）中心
China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China
前
言
为什么要发展快堆?
铀资源的贫乏, 不足以支承大量 NPPs 的运行 PWR: 1% 利用率 (U235丰度:0.71%) SFR: 60-70%利用率(能将U238转化成易裂变Pu239) 降低錒系元素和长寿命裂变产物(核废料)的地质埋填
中国快堆发展现状
快堆发展战略
中国实验快堆CEFR顺利临界 《核电中长期发展规划(2005-2020年)》 提出：“及时启动快堆示范工程”。 2006年发布的中国工程院咨询项目—“大 型先进压水堆和先进核能系统工程战略 研究报告”提出：“为了加速我国快堆 商用化的进程，不排除在国内、国际条 件许可的情况下，由实验快堆直接向示 范快堆过渡”。 2007年8月中科院向国务院呈送的《二十 一世纪上半叶我国能源可持续发展体系 战略研究》报告（科发学部字［2007］ 243号）建议：将快堆先进核能系统研发 与产业化列入国家重大专项。 CFR1000 示范快堆 电功率: 1000MWe 初始设计: 2010年 完成: 2022年 CEFR 电功率: 20MWe 初始设计:1990 完成: 2010年
钠冷快堆结构材料辐照性能研究
492 泳池式反应堆
Generation IV
创新型堆
秦山I期
秦山II期 秦山III期 大亚湾电站 岭奥电站 田湾电站
AP-1000 CAP-1000
1985
CEFR CDFR CCFR SCWR
前
言
压水堆电站在中国的成功
正在运行的: 4 plants, 11 units, about 8.6GWe 正在建设的: 19 units with ～20GWe 计划在建设的: 7 units with ～7GWe
2005.08 堆本体安装开始
2010.07.21 reach to critical
2006.06 主容器检验试验完成
2007.06 完成堆内构件安装
2008.03 旋塞安装就位
* 引自张东辉博士《中国实验快堆进展及热工流体综述》
中国实验快堆
CEFR 主要设计参数

泳池式反应堆 336.6吨核级钠 热功率: 65MW 电功率: 20MW 反应堆寿命: 30年
To be filled
CCFR 商用快堆 电功率: 1000- 1500MWe 初始设计: 2020年 完成: 2030-2032年
CDFR 示范快堆 电功率: 600- 900MWe 初始设计: 2007年 完成: 2020年
中国快堆发展现状
CEFR 大事记
2002.08 Celebration for sealing-top 2002.08 2000.05 of the reactor building 核岛厂房封顶 浇灌第一罐混凝土
前
言
创新型核能系统-GIV 第四代反应堆
铅冷快中子反应堆 (LFR)
超临界冷快中子反应堆 (SFR)
气冷快中子反应堆 (GFR)
熔盐金属反应堆 (MSR)
前
Generation I
原型堆
言
Generation III
先进型堆
Generation II
商用堆
Sodium in 惰性气体循环手套箱
装置参数: 最高温度: 800oC 覆盖气体: Argon 钠中氧含量: 10ppm 钠中碳含量: 10ppm
静态试验釜
钠冷快堆结构材料使用性能研究
材料与高温钠的相容性
准动态试验
装置参数: 试验段最高温度: 550oC 冷、热段最大温差: 100oC 流速: 4-5 cm/s 钠中氧含量: ≤25ppm(min.)
中国实验快堆主要材料
蒸汽发生器
材料：俄罗斯产 10X2M
功能：高温钠 三回路 水 水蒸汽 透平机 环境：钠侧495oC 水侧370oC， 压力：14MPa
中国实验快堆主要材料
二回路管道材料
管道材材料：304不锈钢 参数 管径: 325x12mm, 219x10mm Temp. of Na in hot-leg: 495oC Temp. of Na in cold-leg: 310oC 流量: 274 kg/s
单轴蠕变
钠冷快堆结构材料使用性能研究
材料与高温高压水的相容性
高压釜
高温高压动水腐蚀试验回路
装置参数: 试验段温度: 360oC 压力: 20MPa 流量: 10t/h
装置参数: 试验段温度: 360oC 压力: 20MPa 容积: 5L
钠冷快堆结构材料辐照性能研究
中国实验快堆 - CEFR
中国实验快堆主要材料
堆芯组件材料 结构材料
中国实验快堆主要材料
CEFR 堆芯燃料组件及控制棒组件材料
燃料组件
控制棒组件 8 不锈钢屏蔽组件: 332
感谢上海第一机床厂提供照片
CEFR 堆芯布置
中国实验快堆主要材料
CEFR 堆芯燃料组件及 控制棒组件材料
上端塞
压紧弹簧 操作头
堆芯组件材料 燃料: - 氧化物燃料 (MOX) - 金属燃料 (U-Pu-Zr) 燃料组件 - 包壳: ChS-68 - 外套管: эп-450 (all Russian steels)
attacked by fission products at high oxygen content
316-Ti S.S.
Xu Yongli, Long Bin et al, IAEA-TECDOC-1039, p119-128
钠冷快堆结构材料使用性能研究
材料与高温钠的相容性
vent pipe
静态试验
CEFR
CEFR
一般区域: 1.5x1015n/cm2.s ≈ 14 dpa/100fped 中心区域: 3.1x1015n/cm2.s ≈ 28 dpa/100fped
钠冷快堆结构材料辐照性能研究
中国先进研究堆 - CARR
一般孔道: 2.6 dpa/year 中心孔道: 25 dpa/year
感谢中国一重提供照片
中国实验快堆主要材料
堆容器及堆内主要部件 堆内支承
材料：俄罗斯产 08X16H11M3 （相当于316不锈钢） 重量：65吨 环境：钠温400oC 寿期最大中子注量 ≤1x1018n/cm2
中国实验快堆主要材料
堆容器及堆内主要部件 栅板联箱
材料：瑞典产 304SS 功能：堆芯组件的支 承固定装置 重量：约7.4吨 环境：钠温360oC 寿期最大中子注量 ≤4.4x1020n/cm2
钠冷快堆结构材料使用性能研究
燃料-包壳化学相互作用 (FCCI) 堆外模拟实验
试验参数: 材料: 316-Ti S.S. 20% c.w. 试验温度: 700oC 试验时间: 120h Oxygen buffer: Cr/Cr2O3 & Ni/NiO Cs, Te and Se mixture: 模拟裂 变产物
Curtsy to Mr. Pan Ziqiang
前
言
核电在中国能源供给中的地位
2007年电能中各种电力供给形式所占的比例
2015年电能中各种电力供给形式所占的比例
* JIANG Ze-min, Reflection on energy issues in China, CHINA NUCLEAR POWER, Vol.1, No.2, p.98-113, 2008

主回路流量: 1.2m3/h 净化旁路流量: 0.22-0.125m3/h 系统压力: 0.03-0.06MPa 钠中氧含量: 10-20ppm
钠冷快堆结构材料使用性能研究
材料与高温钠的相容性
应力下的腐蚀
参数: 试验段温度: 550-600oC 最大加载力: 200MPa 钠中氧含量: 50-100ppm
二回路
中国实验快堆主要参数
CEFR 主要设计参数
堆本体 高度: 45.0cm 直径: 60.0cm 燃料/首炉燃料: (Pu,U)O2/UO2 Pu（总量）: 150.3kg Pu-239: 97.7kg U-235(enrichment): 42.6kg (19.6%)/236.7kg (64.4%) 最大线功率: 430w/cm 中子通量: 3.7x1015 n/cm2.s (max.) 平均中子通量: 1.76x1015 n/cm2.s 目标燃耗: 100,000MWd/t 堆芯入口钠温: 360oC 堆芯出口钠温: 530oC 主容器尺寸(O): 8.010m