钠冷快堆中的结构材料全解.ppt

钠冷快堆中的结构材料全解.ppt

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核电材料应用技术国际研讨会三亚,2011年2月21日-25日,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,ChinaInstituteofAtomicEnergy,102413,Beijing,China,钠冷快堆中的结构材料,创新型核能系统-GIV第四代反应堆,钠冷快中子反应堆（SFR）,铅冷快中子反应堆（LFR）,气冷快中子反应堆（GFR）,超临界水堆（SCWR）,超高温堆（VHTR）,熔盐金属反应堆（MSR）,前言,前言,GenerationI,原型堆,秦山I期,GenerationII,商用堆,秦山II期秦山III期大亚湾电站岭奥电站田湾电站,GenerationIII,先进型堆,AP-1000CAP-1000,GenerationIV,创新型堆,CEFRCDFRCCFRSCWR,1985,压水堆电站在中国的成功,正在运行的:

4plants,11units,about8.6GWe正在建设的:

19unitswith20GWe计划在建设的:

7unitswith7GWe,CurtsytoMr.PanZiqiang,前言,核电在中国能源供给中的地位,2015年电能中各种电力供给形式所占的比例,*JIANGZe-min,ReflectiononenergyissuesinChina,CHINANUCLEARPOWER,Vol.1,No.2,p.98-113,2008,前言,2007年电能中各种电力供给形式所占的比例,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,前言,中国快堆发展现状,CDFR示范快堆电功率:

600-900MWe初始设计:

2007年完成:

2020年,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2007243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。

CCFR商用快堆电功率:

1000-1500MWe初始设计:

2020年完成:

2030-2032年,Tobefilled,CEFR电功率:

20MWe初始设计:

1990完成:

2010年,CFR1000示范快堆电功率:

1000MWe初始设计:

2010年完成:

2022年,CEFR大事记,2000.05浇灌第一罐混凝土,2002.08核岛厂房封顶,2005.08堆本体安装开始,2007.06完成堆内构件安装,2008.03旋塞安装就位,中国快堆发展现状,*引自张东辉博士中国实验快堆进展及热工流体综述,2006.06主容器检验试验完成,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,堆本体高度:

45.0cm直径:

60.0cm燃料/首炉燃料:

（Pu,U）O2/UO2Pu（总量）:

150.3kgPu-239:

97.7kgU-235（enrichment）:

42.6kg（19.6%）/236.7kg（64.4%）最大线功率:

430w/cm中子通量:

3.7x1015n/cm2.s（max.）平均中子通量:

1.76x1015n/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,中国实验快堆主要参数,CEFR主要设计参数,堆芯组件材料结构材料,中国实验快堆主要材料,控制棒组件8,不锈钢屏蔽组件:

332,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,感谢上海第一机床厂提供照片,CEFR堆芯布置,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:

-450（allRussiansteels）,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,13,燃料组件,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,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,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,主容器,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,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,堆内支承,中国实验快堆主要材料,堆容器及堆内主要部件,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,栅板联箱,中国实验快堆主要材料,堆容器及堆内主要部件,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,堆芯围桶,中国实验快堆主要材料,堆容器及堆内主要部件,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,压力管部件,中国实验快堆主要材料,堆容器及堆内主要部件,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,泵支承,中国实验快堆主要材料,堆容器及堆内主要部件,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,中间热交换器,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,二回路管道材料,管道材材料：

304不锈钢参数管径:

325x12mm,219x10mmTemp.ofNainhot-leg:

495oCTemp.ofNaincold-leg:

310oC流量:

274kg/s,中国实验快堆主要材料,316-TiS.S.,attackedbyfissionproductsathighoxygencontent,试验参数:

材料:

316-TiS.S.20%c.w.试验温度:

700oC试验时间:

120hOxygenbuffer:

Cr/Cr2O3&Ni/NiOCs,TeandSemixture:

模拟裂变产物,燃料-包壳化学相互作用（FCCI）堆外模拟实验,XuYongli,LongBinetal,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,静态试验,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,惰性气体循环手套箱,静态试验釜,钠冷快堆结构材料使用性能研究,装置参数:

试验段最高温度:

550oC冷、热段最大温差:

100oC流速:

4-5cm/s钠中氧含量:

25ppm（min.）,高温钠热对流回路,准动态试验,材料与高温钠的相容性,钠冷快堆结构材料使用性能研究,质量迁移效应,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,高温钠质量迁移试验回路,hotleg,coldleg,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,材料与高温钠的相容性,钠冷快堆结构材料使用性能研究,应力下的腐蚀,Corrosiontestunderstress,参数:

试验段温度:

550-600oC最大加载力:

200MPa钠中氧含量:

50-100ppm,材料与高温钠的相容性,钠冷快堆结构材料使用性能研究,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,单轴蠕变,装置参数:

试验段温度:

200-800oC最大载荷:

50kN钠中氧含量:

10-20ppm,材料与高温钠的相容性,钠冷快堆结构材料使用性能研究,装置参数:

试验段温度:

360oC压力:

20MPa容积:

5L,装置参数:

试验段温度:

360oC压力:

20MPa流量:

10t/h,高温高压动水腐蚀试验回路,高压釜,材料与高温高压水的相容性,钠冷快堆结构材料使用性能研究,中国实验快堆-CEFR,CEFR,CEFR,一般区域:

1.5x1015n/cm2.s14dpa/100fped中心区域:

3.1x1015n/cm2.s28dpa/100fped,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,一般孔道:

2.6dpa/year中心孔道:

25dpa/year,中国先进研究堆-CARR,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,492泳池式反应堆,垂直孔道:

-中心孔道:

70中子通量:

3x1013n/cm2.s-一般孔道:

100中子通量:

1x1012n/cm2.s水平孔道:

100中子通量:

1x1010n/cm2.s,反应堆控制间,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,辐照后检验,热室高放射性部件的分割解体、样品分装;部件及材料的外观检查、性能测试及微观结构分析,FracturesurfaceofF82H,19dpa/360oC,BFimageshowstheheliumbubbleofT91afterirradiatedto13.5dpainspalltionsource,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,热室内的机械性能测试拉伸、疲劳以及断裂韧性;温度:

-100to400oC载荷:

0to100kN,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,辐照后检验,小样品拉伸、冲压及断裂韧性测试试验：

温度:

-17025oC载荷:

010kN,specimens,pressurehead,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,辐照后检验,半热室中的万能试验机：

温度:

-100300oC载荷:

050kN,TesttemperatureoC,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,辐照后检验,TransTempprogram,半热室中的摆锤冲击试验机：

温度:

-130200oC冲击时间:

3s（5s）对中精度:

0.14mm（0.25）,TesttemperatureoC,AbsorptionEnergyJ,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,辐照后检验,CFR-1000的主要参数,先进钠冷快堆结构材料的研制,先进钠冷快堆结构材料的研制,堆芯材料-燃料:

MOX或金属燃料-包壳:

316TiFMsteelODS-外套管:

316TiFMsteel结构材料-主容器及结构部件:

304LN,316LN或FMsteel-IHX:

304LN&316LN-SG:

mod.9Cr1Mo,ODS合金,结论,快堆技术的发展在我国处于实验堆阶段，距示范快堆和商用堆还有一段距离。

尤其是应用于快堆的材料研发还