中国铅基研究反应堆概念设计研究

同时计划在罗马尼亚建造热功率 MYRRHA , ２１] , 为 ３００ MW 铅冷示范快堆 ALFRED[ 并开展了 [ ] 铅冷快中子工业原型反应堆 ELFR ２２ 的设计与研 发工作.另外, 俄罗斯㊁ 美国㊁ 日本㊁ 韩国等也在积 极探索模块化铅基反应堆的非电应用开发, 如俄 罗斯物理与动力工程研究所( 设计的模块化 IPPE) 铅铋冷却海水淡化反应堆 RM-V８６７ 和美国阿贡 国家 实 验 室 设 计 的 高 温 铅 冷 制 氢 反 应 堆 STAR- H２ .
㊀第 ３ ４ 卷㊀第 ２ 期 ㊀２ ０ １ ４ 年 ㊀６ 月
核 科 学 与 工 程 Nuclear Science and En g ineerin g
Vol ������３ ４ ㊀No ������２
J un． ２０１４
中国铅基研究反应堆概念设计研究
吴宜灿 , 柏云清 , 宋㊀勇, 黄群英 , 刘㊀超, 王明煌 , 周㊀涛, 金㊀鸣, 吴庆生 , 汪建业 , 蒋洁琼 , 胡丽琴 , 李春京 , 高㊀胜, 李亚洲 , 龙鹏程 , 赵柱民 , 郁㊀杰, FDS 团队
期的铅铋反应堆没有考虑到铅铋合金的纯净化 和氧浓度控制问题 , 反应堆在运行了几年后 , 发 生了蒸汽发生器管道堵塞事故 . 前苏联专家经 过针对性研究 , 掌握了氧控和纯化技术 , 有效解 决了 反 应 堆 冷 却 剂 管 道 堵 塞 问 题 , 反应堆处于
１ ５] . 随着 苏 联 的 解 体 , 良好的运行状态 [ 俄罗斯
２０１
;lead-bismuth ;research reactor ; Key words :ADS ;China lead-based reactor ( CLEAR ) conce p tual desi g n ㊀㊀ 加速器驱动次临界系统 ( ADS : Accelerator 是一种新型的核能 Driven subcritical S y stem ) 利用 装 置 , 其原理是利用加速器产生的高能质 子轰击重金属靶产生散裂中子驱动次临界堆中 的核材料发生核反应 , 维持次临界堆运行 , 该系 统具有固有安全性 . ADS 系 统 中 子 能 谱 硬 ㊁ 通 量高 ㊁ 能量分布范围宽 , 嬗变长寿命次锕系核素 和裂 变 产 物 能 力 强 , 既可大幅降低核废料的放 射性危害 , 实现核废料的最小化处置 , 同时可实
( Institute of Nuclear Energy Safety Technology ,Chinese Academy of Sciences ,H efei of Anhui Prov ������ ２ ３ ０ ０ ３ １ ,China )
Abstract : The concep tual design of １０ MWt China Lead-based Research Reactor ( CLEAR-I ) had been finished, which has critical and subcritical dual-mode op eration cap ability for validation of ADS transmutation system and the Generation-IV lead-cooled fast reactor technology ������ Lead-bismuth eutectic was selected as p rimary coolant ������ The mature fuel and material technology was p referred,and the fuel assembl y can be loaded b y remote refueling system ������ CLEAR-I has excellent safety reliability,technology feasibility,exp eriment flexibility
１ ㊀ 铅基反应堆技术特点和发展现状
学院于 ２ ０ １ １ 年启动了战略性先导科技专项 未 , 来先进核裂变能-ADS 嬗变系统 ( ADS 专项 ) 针对核裂变能可持续发展中核废料安全处置这 一世界性难题 , 致力于自主发展 ADS 系统从试 验装置到示范装置的全部核心技术和系统集成 技术 , 为保障国家能源供给和核裂变能长期可 作为 ADS 反应堆的主要发展方 based Reactor ) . 向 ２ ０ １ ２ 年发 布 的 国 家 重 大 科 技 基 础 设 施 建 设中长期规划 ( 中, 将以液态金 属 冷 ２ ０ １ ２-２ ０ ３ ０ ) 却次临界反应堆为核心系统的加速器驱动嬗变 研究装置作为 十二五 时期建设重点 . 考虑到铅铋合金具有成熟的技术基础和良
收稿日期 : ２ ０ １ ４-０ １-１ ２ ㊀㊀ 修回日期 : ２ ０ １ ４-０ ４-１ ６ 作者简介 : 吴宜灿 ( １ ９６４
基金项目 : 中国科学院战略性先导科技专项 XDA０ ３ ０ ４０ ０ ０ ０ , 国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目 ９ １ ０ ２ ６ ０ ０ ４ ) , 男, 安徽人 , 研究员 , 从事先进核能系统相关研究
１ ３- １ ４ ] .早 应堆 装 备 到 其 阿 尔 法 系 列 核 潜 艇 上 [ ５- ７ ] . 余热 , 大 大 提 高 了 反 应 堆 的 非 能 动 安 全 性[
力, 是解决聚变实验堆启动所需氚供给问题的一
好的热物 理 特 性 , 中 科 院 ADS 专 项 第 １ 阶 段 １ ０ MW t 铅 基 研 究 反 应 堆 CLEAR-I 选 择 铅 铋 合金 作 为 冷 却 剂 , 用于开展铅基反应堆的中子 学㊁ 热工水力学和安全特性等实验研究 , 掌握铅 ADS 系统耦合集成运行技术 . 中国科学院 核 能 安 全 技 术 研 究 所/ FDS 团 队承 担 了 ADS 专 项 铅 铋 冷 却 反 应 堆 的 设 计 和 技术研发工作 , 完 成 了 CLEAR-I 概 念 设 计 , 并 本文在分析国际上铅基反应堆技术特点和现状 的基础上 , 给 出 了 CLEAR-I 概 念 设 计 参 考 方 案, 并总结了反应堆的安全特性和技术研发进 展 . 更为具体的 反 应 堆 结 构 设 计 分 析 ㊁ 中子学 设计分析 ㊁ 热工水力设计分析 ㊁ 冷却剂系统设计 ２０２ 对 一 系 列 相 关 关 键 科 学 技 术 问 题 开 展 了 研 究. 基冷却反应堆设计 ㊁ 建造 ㊁ 运行和控制技术以及
由于政治和经济原因停止了对铅铋核潜艇的运 行, 但其铅基反应堆技术发展一直没有停止 , 并 积极推进铅铋核潜艇技术的民用开发 .
１ ６] ( , 选出的第四代核能系统推荐堆型[ 其研 GIF) 发工作取得了良好的进展. 俄罗斯计划于 ２０１９
目前 , 铅冷快堆是第四代核能系统国际论坛
年完成电动率为 １００ MW 的模块 化 铅 铋 反 应 堆 [ ] 并计划于 ２０２２ 年完成电 SVBR-１００ １ ７- １ ８ 并网发电,
and technical continuity ������ The overview of reference scenario design, safety characteristics anal ysis and R&D status of the CLEAR-I was p resented ������
３] . 中 国 科 学 院 ADS 专 项 持续发展做 出 贡 献 [ 选择了中国铅基反应堆 CLEAR ( China LEAd-
以在低压运行时获得高出口温度 , 避免了高压系 统带来的冷却剂丧失事故的发生 , 同时可实现高 热电转换效率 . 且铅基材料的化学稳定性高 , 与 空气和水反应性弱 , 与钠冷反应堆相比避免了起 火及爆炸等安全问题 . 同时 , 铅基材料的载热能 力及自然循环能力强 , 可依靠自然循环排出堆芯 加速器驱动的铅基反应堆还具有较大的产氚潜 条重要途径 . 国际上 ADS 计划中均选用或重点 ８- １ ２ ] . 考虑以铅基材料作为反应堆冷却剂材料[ １ .２ ㊀ 国际铅基反应堆发展现状 铅基反应堆的 研 究 可 追 溯 到 上 世 纪 ５ ０ 年 代 . 前苏联于 １ ９ ６ ３ 年 建 成 世 界 上 第 一 艘 利 用 铅铋 反 应 堆 为 动 力 的 核 潜 艇 , 并陆续将铅铋反
( 中国科学院核能安全技术研究所 , 安徽 合肥 ２ ３ ０ ０ ３ １ )
摘要 : 针对加速器驱动次临界系统预研装置和第四代铅冷快堆的技术发展目标和实验 要 求 , 完成了具有 临 界和加速器驱动次临界双模式运行能力的 １ ０ MW 中国铅基研究堆 CLEAR-Ⅰ 概念设计 . CLEAR-Ⅰ 采用铅铋合金冷却 , 利用相对成熟的燃料和材料技术 , 通过全堆芯遥操自动更换燃料组 件 实 现 不 同 的 实 并总结了反应堆的安全特性和技术研发进展 . CLEAR-Ⅰ 概念设计参考方案 , 中图分类号 : TL３ ３ ３ ㊀㊀ 文献标识码 : A 验目标 , 反应堆 具 有 良 好 的 现 实 可 行 性 ㊁ 安 全 可 靠 性㊁ 实 验 灵 活 性 和 技 术 延 续 性. 本 文 简 要 介 绍 了 关键词 : 加速器驱动次临界系统 ; 中国铅基反应堆 ; 铅铋 ; 研究反应堆 ; 概念设计
文章编号 : ０ ２ ５ ８-０ ９ １ ８ ( ２０ １ ４) ０ ２-０ ２ ０ １-０ ８
Concep tual Desi gn of China Lead-based Research Reactor CLEAR-I
WU Yi-can , BAI Yun- q in g , SONG Yon g , H UANG Qun- y in g , LIU Chao , WANG Min g-huan g , ZH OU Tao , JIN Min g , WU Qin g-shen g , WANG Jian- y e , JANG Jie- q ion g , H U Li- q in g , LI Chun-j in g , GAO Shen g , LI Ya-zhou , LONG Pen g-chen g , ZHAO Zhu-min , YU Jie , FDS Team
１ ９-２０ ] 功率为 ３００ MW 的铅冷快堆 BREST-OD-３００ [ 的并网发电.从 GIF 组织 ２０１３ 年发布的第四代
关技术 , 提高反应堆建造的现实可行性 .
核反应堆路线图中可以看出, 铅冷快堆有望成为 统.欧盟 计 划 于 ２０２３ 年 在 比 利 时 建 成 可 开 展 ADS 耦 合 实 验 的 铅 铋 冷 却 技 术 试 验 堆
[ １０ ]
首个实现工业示范和商业应用的第四代核能系
反应堆具有固有安全性和非能动余热排出能 力 . 反应堆设置 控 制 棒 系 统 , 用于反应性调节 及紧急停堆 . ( ３ )实验灵活性 设置遥操换 料 系 统 , 使堆芯具备采用不同 ( ４ )技术延续性 反应堆关键设备技术路线与未来高功率实
( ２ )安全可靠性 充分利用铅 铋 合 金 的 物 理 及 化 学 特 性 , 使
燃料 布 置 方 式 的 能 力 , 实现开展不同次临界度 和临界运行的功能 .
[ ２３来自百度文库]
２ ㊀ CLEAR-I 设计目标与原则
３ ㊀ 堆芯布置与核设计
验堆 一 致 , 具 有 装 载 MOX 燃 料 以 及 次 锕 系 嬗 变靶件燃料的运行能力 .
１-２ ] . 中国科 现能量放大 , 提高核资源的利用率 [
分析 ㊁ 安全与环境影响评价等关键科学问题的 研究将另立篇章讨论 .
收和慢化能力弱 , 反应堆中子经济性好 , 使得反 应堆系统具有更高的核废料嬗变和核燃料增殖
４] . 铅基材料的熔点低 , 能力[ 沸点高 , 反应堆 可
１ .１ ㊀ 铅基材料技术特点 铅或铅合金 ( 统称铅基材料 ) 对于中子的吸