中国实验快堆的安全特性
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- 1)
62 1 08
22 1 53
13 1 67
10 18
42 1 07
81 9 ( 200 e )
0 1 24
#
体积热膨胀系数 / ( 1/ e )
2 1 418 @ 10-
4
2 1 77 @ 10- 4
在如此低的压力下破裂和堆芯失钠 的可能性 极小。 由表 2 可 见 , 处 于 快堆 平均 工 作温 度 约 400 e 钠的热导率为 62 1 08 kcal/ ( m # h # e ) , 约为水的百倍
- 4 - 5
kg/
( s # m ) [ 7] 。所以 , 钠的流动性好, 加上液 态钠 e 的膨胀系数, 利于 在一定温 差下建立自然循环和自然对流。 以上这些热物性为将钠冷快堆设计成具有 固有安全性和采用非能动事故余热导出系统提 供了条件。 1 1 2 钠的化学活性 钠是活泼的碱金属, 在空气中会燃烧, 产生 Na2 O 和 Na 2 O 2 , 前者是主要反应[ 8] : 2Na( 液) + 1/ 2O2 y Na 2 O( 固 ) $H = - 991 4 kcal/ mo l 2Na( 液) + O 2 y N a2 O2 ( 固) $H = - 122 1 1 kcal/ m ol 钠的着火点依赖于钠中的杂质成分 , 空气 118
收稿日期 : 2011 -03 - 30; 修回日期 : 2011 -04 - 20 作者简介 : 徐 銤 ( 1937 ) ) , 男 , 江苏扬州人 , 现任中国原子能科学研究院快堆 总工程师 , 中国核 工业集团公司 快堆核电站技术 领域首席专家
116
对于核 装置而言 , 第一重要的 是安全性。 世界核电站发展和应用以来, 之所以分/ 代0, 主 要还是对其安全性 不断提高要求。进入新 世 纪, 对第 Ô代先进核能系统除考虑到常规能源 资源逐步耗竭, 以及核能对降低温室气体排放 , 缓解全球变暖的重要作用而导致核能发展的复 苏和向更大规模的发展 , 还必须要求其实现可 持续发展外 , 更高的安全性仍是对第 Ô代的最 重要的要求。对第 Ô代先进核能系统安全性的 目标是[ 1] : ( 1) 运行应有更高的安全性和可靠性; ( 2) 应有非常低的堆芯损坏可能性和损坏
3 1 7 @ 10- 6 / 堆 # 年, 及建成而未运行的德国原 型快堆 SR300 3 @ 10 / 堆 # 年相当。经 过对 严重事故的确定论分析, 厂址边界 153 m 处居
- 7
民所受最大有效剂量低于 5 mSv/ 事故[ 3] , 不需 要厂外应急。中国实验快堆满足了第 Ô代先进 核能系统的安全要求。
钠接触水会有激烈的钠水反应[ 8] : Na( 固 ) + H 2 O( 液) y NaOH ( 固) + 1/ 2H 2 $H = - 33 1 67 kcal/ mo l Na( 液 ) + H 2 O( 液) y NaOH ( 固) + 1/ 2H 2 $H = - 35 1 2 kcal/ mol Na( 液) + H 2 O( 汽) y NaOH( 固) + 1/ 2H 2 $H = - 45 1 7 kcal/ mol 2Na( 固 ) + H 2 O( 液) y Na 2 OH ( 固) + H 2 $H = - 31 1 05 kcal/ mo l
Safety properties of China experimental fast reactor
XU M i
( C hina Inst it ut e of A t omic En ergy, Beijing 102413, C hina)
Abstract: So dium co oled f ast react or possesses some inherent safet y proper ties, t hanks to sodium perf ect t hermo - physical charact er ist ics. In t he sam e t ime sodium leakage inducing sodium f ir e or sodium - w ater react ion of indust rial incident s, fro m so dium cont aining systems could no t be ex cluded due t o it is alkali m et al. It is presented in the paper, t hat the saf ety of t he China ex periment al fast reacto r( CEFR) has meet t he safet y demands of Generat io n Ô due t o t he inherent saf et y char act eristics have been realized, som e passive safet y syst em s, like passive decay heat r em oval syst em based on nat ural convect ion and circulat ion and active safet y measures have been equipped. As f or the large sized f ast reacto r w it h high breeding feat ure w hich induces positive sodium bubble ef fect, it is needed t o develop passive shut - do w n systems t o keep t he saf ety t ar gets of Generat ion Ô. Key words: sodium cooled fast reacto r; inherent safet y; passive saf et y measure; China ex periment al fast react or; saf et y assessm ent
表 1 各国计划 建造的钠冷快堆 Table 1
国家 印度 俄罗斯 法国 美国 日本Baidu Nhomakorabea韩国 中国 中国 * 申请中。
Sodium cooled f ast reators planned to be built in the world
快堆 电功率 / M W 4 @ 500 1 200 600 600 1 200 600 2 @ 800 1 000 2020 2013 2017 建造年份 建成年份 2020 2020 2020 2025 2025 2028 2018, 2019 2022 ) 2023
Na 97 1 83 881 14 0 1 856 2
( K B 77 1 8%) - 12 16 U 785 0 1 785 7
0 1 305 4
0 1 21
0 1 035
0 1 035
1 1 004
3 1 28 ( 200 e )
11 243
热导率 ( 400 e ) / ( kcal # h- 1 # e m- 1
[ 6]
湿度以 及钠 和 空 气界 面 条 件, 一 般在 140 ~ 320 e [ 9] 。钠在空气中燃烧时的燃烧 率、 火焰 高度、 燃烧反应热和释放的能量均比汽油低 ( 表 3) 。
表 3 钠与汽油燃烧比较 Table 3 Burning comparison between sodium and gasoline
表2 Table 2
热物性 熔点 ( 大气压 ) / e 沸点 ( 大气压 ) / e 密度 ( 400 e ) / ( g # cm - 3 ) 比热容 ( 400 e ) / ( cal # g- 1 # e
- 1)
快堆几种冷却剂的热物性 [ 4]
Thermophysical properties of coolants for fast reactor
程度; ( 3) 将消除厂外应急的需要。 钠冷快堆是推荐的 6 种第 Ô代先进核能系 统堆型中的一种 , 也是唯一全世界总共建过 18 座的堆 型, 电 功率 从 200 kW 的实 验 快 堆到 1 200 M W 大型 商业示范 快堆, 总 共积 累了约 400 堆 # 年的运行经验。目前有 3 座正在建造 中 , 包括中国实验快堆 , 计划于 2012 年建成的 印度电功率 500 M W 原 型快堆 PF BR 和俄罗 斯将于 2014 年建成的电功率 870 M W 商用快 堆 BN800 。 另外, 已提出计划建造的钠冷快堆见表 1。
第 31 卷 第 2 期 2011 年 6 月
核科学与工程 Chinese Journal of N uclear Science and Engineering
Vol. 31 N o. 2 Jun. 2011
中国实验快堆的安全特性
徐 銤
( 中国原子能科学研究院 , 北京 102413)
摘要 : 钠冷快堆因钠具有好的热物理特性而具有 固有安全性 , 同 时也因 钠是活泼 的碱金 属 , 也 难免会 有 钠的泄漏、 钠火和钠水反应等工业事故。本文介绍了中国 实验快堆利用钠冷快堆的固有安全 性 , 装 设了 单靠自然循环和自然对流的事故余热导出系统等多项非 能动安 全系统 及完善的 能动安 全系统 , 其安 全 性达到了第 Ô代先进核能系统的安全要求。对于大型快堆 , 因其保证高的增殖而会有正的钠 空泡效应 , 需要开发非能动停堆系统以保持第 Ô代安全目标。 关键词 : 钠冷快堆 ; 固有安全性 ; 非能动安全措施 ; 中国实验快堆 ; 安 全评价 中图分类号 : T L 32 文献标志码 : A 文章编号 : 0258 - 0918( 2011) 02 - 0116 - 11
4 @ PFBR BN 1200 A ST RID A BR JSFR K A LIM ER 2 @ BN 800( M ) CFR1000*
我国快堆工程发展的第一步, 热功率 65 MW, 电功率 20 M W 中 国 实验 快 堆 ( CEFR) 已 于 2010 年 7 月 21 日达到首次临界。 一级概率安全评价指出 , CEF R 堆芯熔化 概率为 4 @ 10 / 堆 # 年 , 与美 国 2 座快 堆 EBR Ò 1 @ 10- 6 / 堆 # 年、 设 计 的快 堆 CRBR
( 燃烧区 1 m 2 ) 钠 燃烧率 / [ kg/ ( m 2 # h) ] 汽化潜热 / ( kJ/ k g) 燃烧热 / ( kJ/ k g) 火焰高度 / m 在 1 m 高度的温度 / e 45 4 340 10 900 < 1 < 100 汽油 180 360 43 600 4 U 800
[ 9]
, 因此 , 堆芯不易过热。
钠的比热容约为常温常压下水的 1/ 3。各 国商用快堆一回路结构多取池式结构, 存有百、 千吨的钠 , 具有相当大的比热容, 提供了快堆初 始的热阱。 400 e 钠的黏度为 27 @ 10- 5 kg / ( s # m ) , 小于常压下 80 e 的水的黏度 35 1 4 @ 10 有2 1 418 @ 10
N aK PbBi Pb 327 15 1 744 18 10 16 ( Pb B 44 1 5% ) U 125 U 1 670 10 1 24 Li 180 12 1 342 0 1 495 Hg - 381 87 356 1 65 13 1 113 ( 200 e ) 0 1 073 @ 10- 3 H e[ 5] ( 大气压 )
- 7 [ 2]
1
钠的热物性和化学特性
表 2 给出了液态钠和其他几种可能作为快
11 1 液态钠的热物性 堆冷却剂 NaK, P b, Pb - Bi, Li, H g 和 H e 的热物 性数据。 钠在常压下沸点温度为 881 1 4 e , 而快堆 钠的工作温度一般在 550 e 以下, 比沸点温度 低 300 e , 因此快堆一回路不需要因防止钠沸 腾而加压 , 只是为防止空气进入而使用的保护 气体 Ar 有微微正压, 和有些情况 下为防止一 次钠泵钠高度静压不够会产生汽融现象而加很 小的压 力 ( 一般表 压 01 1~ 01 2M Pa ) 。 堆容器 117
62 1 08
22 1 53
13 1 67
10 18
42 1 07
81 9 ( 200 e )
0 1 24
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体积热膨胀系数 / ( 1/ e )
2 1 418 @ 10-
4
2 1 77 @ 10- 4
在如此低的压力下破裂和堆芯失钠 的可能性 极小。 由表 2 可 见 , 处 于 快堆 平均 工 作温 度 约 400 e 钠的热导率为 62 1 08 kcal/ ( m # h # e ) , 约为水的百倍
- 4 - 5
kg/
( s # m ) [ 7] 。所以 , 钠的流动性好, 加上液 态钠 e 的膨胀系数, 利于 在一定温 差下建立自然循环和自然对流。 以上这些热物性为将钠冷快堆设计成具有 固有安全性和采用非能动事故余热导出系统提 供了条件。 1 1 2 钠的化学活性 钠是活泼的碱金属, 在空气中会燃烧, 产生 Na2 O 和 Na 2 O 2 , 前者是主要反应[ 8] : 2Na( 液) + 1/ 2O2 y Na 2 O( 固 ) $H = - 991 4 kcal/ mo l 2Na( 液) + O 2 y N a2 O2 ( 固) $H = - 122 1 1 kcal/ m ol 钠的着火点依赖于钠中的杂质成分 , 空气 118
收稿日期 : 2011 -03 - 30; 修回日期 : 2011 -04 - 20 作者简介 : 徐 銤 ( 1937 ) ) , 男 , 江苏扬州人 , 现任中国原子能科学研究院快堆 总工程师 , 中国核 工业集团公司 快堆核电站技术 领域首席专家
116
对于核 装置而言 , 第一重要的 是安全性。 世界核电站发展和应用以来, 之所以分/ 代0, 主 要还是对其安全性 不断提高要求。进入新 世 纪, 对第 Ô代先进核能系统除考虑到常规能源 资源逐步耗竭, 以及核能对降低温室气体排放 , 缓解全球变暖的重要作用而导致核能发展的复 苏和向更大规模的发展 , 还必须要求其实现可 持续发展外 , 更高的安全性仍是对第 Ô代的最 重要的要求。对第 Ô代先进核能系统安全性的 目标是[ 1] : ( 1) 运行应有更高的安全性和可靠性; ( 2) 应有非常低的堆芯损坏可能性和损坏
3 1 7 @ 10- 6 / 堆 # 年, 及建成而未运行的德国原 型快堆 SR300 3 @ 10 / 堆 # 年相当。经 过对 严重事故的确定论分析, 厂址边界 153 m 处居
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民所受最大有效剂量低于 5 mSv/ 事故[ 3] , 不需 要厂外应急。中国实验快堆满足了第 Ô代先进 核能系统的安全要求。
钠接触水会有激烈的钠水反应[ 8] : Na( 固 ) + H 2 O( 液) y NaOH ( 固) + 1/ 2H 2 $H = - 33 1 67 kcal/ mo l Na( 液 ) + H 2 O( 液) y NaOH ( 固) + 1/ 2H 2 $H = - 35 1 2 kcal/ mol Na( 液) + H 2 O( 汽) y NaOH( 固) + 1/ 2H 2 $H = - 45 1 7 kcal/ mol 2Na( 固 ) + H 2 O( 液) y Na 2 OH ( 固) + H 2 $H = - 31 1 05 kcal/ mo l
Safety properties of China experimental fast reactor
XU M i
( C hina Inst it ut e of A t omic En ergy, Beijing 102413, C hina)
Abstract: So dium co oled f ast react or possesses some inherent safet y proper ties, t hanks to sodium perf ect t hermo - physical charact er ist ics. In t he sam e t ime sodium leakage inducing sodium f ir e or sodium - w ater react ion of indust rial incident s, fro m so dium cont aining systems could no t be ex cluded due t o it is alkali m et al. It is presented in the paper, t hat the saf ety of t he China ex periment al fast reacto r( CEFR) has meet t he safet y demands of Generat io n Ô due t o t he inherent saf et y char act eristics have been realized, som e passive safet y syst em s, like passive decay heat r em oval syst em based on nat ural convect ion and circulat ion and active safet y measures have been equipped. As f or the large sized f ast reacto r w it h high breeding feat ure w hich induces positive sodium bubble ef fect, it is needed t o develop passive shut - do w n systems t o keep t he saf ety t ar gets of Generat ion Ô. Key words: sodium cooled fast reacto r; inherent safet y; passive saf et y measure; China ex periment al fast react or; saf et y assessm ent
表 1 各国计划 建造的钠冷快堆 Table 1
国家 印度 俄罗斯 法国 美国 日本Baidu Nhomakorabea韩国 中国 中国 * 申请中。
Sodium cooled f ast reators planned to be built in the world
快堆 电功率 / M W 4 @ 500 1 200 600 600 1 200 600 2 @ 800 1 000 2020 2013 2017 建造年份 建成年份 2020 2020 2020 2025 2025 2028 2018, 2019 2022 ) 2023
Na 97 1 83 881 14 0 1 856 2
( K B 77 1 8%) - 12 16 U 785 0 1 785 7
0 1 305 4
0 1 21
0 1 035
0 1 035
1 1 004
3 1 28 ( 200 e )
11 243
热导率 ( 400 e ) / ( kcal # h- 1 # e m- 1
[ 6]
湿度以 及钠 和 空 气界 面 条 件, 一 般在 140 ~ 320 e [ 9] 。钠在空气中燃烧时的燃烧 率、 火焰 高度、 燃烧反应热和释放的能量均比汽油低 ( 表 3) 。
表 3 钠与汽油燃烧比较 Table 3 Burning comparison between sodium and gasoline
表2 Table 2
热物性 熔点 ( 大气压 ) / e 沸点 ( 大气压 ) / e 密度 ( 400 e ) / ( g # cm - 3 ) 比热容 ( 400 e ) / ( cal # g- 1 # e
- 1)
快堆几种冷却剂的热物性 [ 4]
Thermophysical properties of coolants for fast reactor
程度; ( 3) 将消除厂外应急的需要。 钠冷快堆是推荐的 6 种第 Ô代先进核能系 统堆型中的一种 , 也是唯一全世界总共建过 18 座的堆 型, 电 功率 从 200 kW 的实 验 快 堆到 1 200 M W 大型 商业示范 快堆, 总 共积 累了约 400 堆 # 年的运行经验。目前有 3 座正在建造 中 , 包括中国实验快堆 , 计划于 2012 年建成的 印度电功率 500 M W 原 型快堆 PF BR 和俄罗 斯将于 2014 年建成的电功率 870 M W 商用快 堆 BN800 。 另外, 已提出计划建造的钠冷快堆见表 1。
第 31 卷 第 2 期 2011 年 6 月
核科学与工程 Chinese Journal of N uclear Science and Engineering
Vol. 31 N o. 2 Jun. 2011
中国实验快堆的安全特性
徐 銤
( 中国原子能科学研究院 , 北京 102413)
摘要 : 钠冷快堆因钠具有好的热物理特性而具有 固有安全性 , 同 时也因 钠是活泼 的碱金 属 , 也 难免会 有 钠的泄漏、 钠火和钠水反应等工业事故。本文介绍了中国 实验快堆利用钠冷快堆的固有安全 性 , 装 设了 单靠自然循环和自然对流的事故余热导出系统等多项非 能动安 全系统 及完善的 能动安 全系统 , 其安 全 性达到了第 Ô代先进核能系统的安全要求。对于大型快堆 , 因其保证高的增殖而会有正的钠 空泡效应 , 需要开发非能动停堆系统以保持第 Ô代安全目标。 关键词 : 钠冷快堆 ; 固有安全性 ; 非能动安全措施 ; 中国实验快堆 ; 安 全评价 中图分类号 : T L 32 文献标志码 : A 文章编号 : 0258 - 0918( 2011) 02 - 0116 - 11
4 @ PFBR BN 1200 A ST RID A BR JSFR K A LIM ER 2 @ BN 800( M ) CFR1000*
我国快堆工程发展的第一步, 热功率 65 MW, 电功率 20 M W 中 国 实验 快 堆 ( CEFR) 已 于 2010 年 7 月 21 日达到首次临界。 一级概率安全评价指出 , CEF R 堆芯熔化 概率为 4 @ 10 / 堆 # 年 , 与美 国 2 座快 堆 EBR Ò 1 @ 10- 6 / 堆 # 年、 设 计 的快 堆 CRBR
( 燃烧区 1 m 2 ) 钠 燃烧率 / [ kg/ ( m 2 # h) ] 汽化潜热 / ( kJ/ k g) 燃烧热 / ( kJ/ k g) 火焰高度 / m 在 1 m 高度的温度 / e 45 4 340 10 900 < 1 < 100 汽油 180 360 43 600 4 U 800
[ 9]
, 因此 , 堆芯不易过热。
钠的比热容约为常温常压下水的 1/ 3。各 国商用快堆一回路结构多取池式结构, 存有百、 千吨的钠 , 具有相当大的比热容, 提供了快堆初 始的热阱。 400 e 钠的黏度为 27 @ 10- 5 kg / ( s # m ) , 小于常压下 80 e 的水的黏度 35 1 4 @ 10 有2 1 418 @ 10
N aK PbBi Pb 327 15 1 744 18 10 16 ( Pb B 44 1 5% ) U 125 U 1 670 10 1 24 Li 180 12 1 342 0 1 495 Hg - 381 87 356 1 65 13 1 113 ( 200 e ) 0 1 073 @ 10- 3 H e[ 5] ( 大气压 )
- 7 [ 2]
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钠的热物性和化学特性
表 2 给出了液态钠和其他几种可能作为快
11 1 液态钠的热物性 堆冷却剂 NaK, P b, Pb - Bi, Li, H g 和 H e 的热物 性数据。 钠在常压下沸点温度为 881 1 4 e , 而快堆 钠的工作温度一般在 550 e 以下, 比沸点温度 低 300 e , 因此快堆一回路不需要因防止钠沸 腾而加压 , 只是为防止空气进入而使用的保护 气体 Ar 有微微正压, 和有些情况 下为防止一 次钠泵钠高度静压不够会产生汽融现象而加很 小的压 力 ( 一般表 压 01 1~ 01 2M Pa ) 。 堆容器 117