鈉冷快堆中的結(jié)構(gòu)材料

核電材料應(yīng)用技術(shù)國際研討會三亞,2011年2月21日-25日

龍斌韓麗萍張金權(quán)付曉剛秦博蘇喜平周培德張東輝中國原子能科學(xué)研究院國家能源快堆工程技術(shù)研發(fā)（實驗）中心ChinaInstituteofAtomicEnergy,102413,Beijing,China鈉冷快堆中的結(jié)構(gòu)材料第一頁，共四十三頁。創(chuàng)新型核能系統(tǒng)-GIV第四代反應(yīng)堆鈉冷快中子反應(yīng)堆(SFR)鉛冷快中子反應(yīng)堆(LFR)氣冷快中子反應(yīng)堆

(GFR)超臨界水堆

(SCWR)超高溫堆

(VHTR)熔鹽金屬反應(yīng)堆(MSR)前言第二頁，共四十三頁。前言GenerationI原型堆

秦山I期GenerationII商用堆

秦山II期秦山III期大亞灣電站嶺奧電站田灣電站GenerationIII先進(jìn)型堆

AP-1000CAP-1000GenerationIV創(chuàng)新型堆CEFRCDFRCCFRSCWR1985第三頁，共四十三頁。壓水堆電站在中國的成功正在運(yùn)行的:4plants,11units,about8.6GWe正在建設(shè)的:19unitswith～20GWe計劃在建設(shè)的:7unitswith～7GWeCurtsytoMr.PanZiqiang前言第四頁，共四十三頁。核電在中國能源供給中的地位2015年電能中各種電力供給形式所占的比例*JIANGZe-min,ReflectiononenergyissuesinChina,CHINANUCLEARPOWER,Vol.1,No.2,p.98-113,2008前言2007年電能中各種電力供給形式所占的比例第五頁，共四十三頁。為什么要發(fā)展快堆?

鈾資源的貧乏,不足以支承大量NPPs的運(yùn)行PWR:1%利用率(U235豐度:0.71%)SFR:60-70%利用率(能將U238轉(zhuǎn)化成易裂變Pu239)

降低錒系元素和長壽命裂變產(chǎn)物(核廢料)的地質(zhì)埋填前言第六頁，共四十三頁。中國快堆發(fā)展現(xiàn)狀CDFR示范快堆

電功率:600-900MWe

初始設(shè)計:2007年

完成:2020年快堆發(fā)展戰(zhàn)略中國實驗快堆CEFR順利臨界《核電中長期發(fā)展規(guī)劃(2005-2020年)》提出：“及時啟動快堆示范工程”。2006年發(fā)布的中國工程院咨詢項目—“大型先進(jìn)壓水堆和先進(jìn)核能系統(tǒng)工程戰(zhàn)略研究報告”提出：“為了加速我國快堆商用化的進(jìn)程，不排除在國內(nèi)、國際條件許可的情況下，由實驗快堆直接向示范快堆過渡”。2007年8月中科院向國務(wù)院呈送的《二十一世紀(jì)上半葉我國能源可持續(xù)發(fā)展體系戰(zhàn)略研究》報告（科發(fā)學(xué)部字［2007］243號）建議：將快堆先進(jìn)核能系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化列入國家重大專項。CCFR商用快堆

電功率:1000-1500MWe

初始設(shè)計:2020年

完成:2030-2032年TobefilledCEFR

電功率:20MWe

初始設(shè)計:1990

完成:2010年CFR1000示范快堆

電功率:1000MWe

初始設(shè)計:2010年

完成:2022年第七頁，共四十三頁。CEFR大事記2000.05澆灌第一罐混凝土2002.08核島廠房封頂2005.08

堆本體安裝開始2007.06

完成堆內(nèi)構(gòu)件安裝2008.03旋塞安裝就位中國快堆發(fā)展現(xiàn)狀*引自張東輝博士《中國實驗快堆進(jìn)展及熱工流體綜述》2006.06主容器檢驗試驗完成2002.08Celebrationforsealing-topofthereactorbuilding2010.07.21reachtocritical第八頁，共四十三頁。中國實驗快堆CEFR主要設(shè)計參數(shù)泳池式反應(yīng)堆336.6噸核級鈉熱功率:65MW電功率:20MW反應(yīng)堆壽命:

30年二回路三回路第九頁，共四十三頁。堆本體高度:45.0cm直徑:60.0cm燃料/首爐燃料:(Pu,U)O2/UO2Pu（總量）:150.3kgPu-239:97.7kgU-235(enrichment):42.6kg(19.6%)/236.7kg(64.4%)最大線功率:430w/cm中子通量:3.7x1015n/cm2.s(max.)

平均中子通量:1.76x1015n/cm2.s目標(biāo)燃耗:100,000MWd/t堆芯入口鈉溫:360oC

堆芯出口鈉溫:530oC

主容器尺寸(O):8.010m中國實驗快堆主要參數(shù)

CEFR主要設(shè)計參數(shù)第十頁，共四十三頁。堆芯組件材料結(jié)構(gòu)材料

中國實驗快堆主要材料第十一頁，共四十三頁?？刂瓢艚M件

8不銹鋼屏蔽組件:332

中國實驗快堆主要材料CEFR堆芯燃料組件及控制棒組件材料燃料組件感謝上海第一機(jī)床廠提供照片CEFR堆芯布置第十二頁，共四十三頁。堆芯組件材料燃料:-氧化物燃料(MOX)-金屬燃料(U-Pu-Zr)

燃料組件

-包殼:ChS-68-外套管:эп-450(allRussiansteels)中國實驗快堆主要材料CEFR堆芯燃料組件及控制棒組件材料上端塞壓緊彈簧上軸向轉(zhuǎn)換區(qū)下軸向轉(zhuǎn)換區(qū)金屬繞絲燃料區(qū)下端塞包殼操作頭外套管堆芯支撐鈉入口燃料組件13第十三頁，共四十三頁。材料溫度（oC）中子通量（n/cm2s）包殼外套管燃料組件ЧC-68эп-450360-5606.6x1015控制棒組件安全棒ЧC-6808X16H11M3360-550≤3.2x1015

調(diào)節(jié)棒ЧC-6808X16H11M3360-548≤3.2x1015補(bǔ)償棒ЧC-6808X16H11M3360-554≤3.2x1015中子源組件ЧC-6808X16H11M3360-5303.2x1015不銹鋼屏蔽組件316Ti316Ti600（max）3.2x1015硼屏蔽組件316Ti316Ti550(max)3.8x1015中國實驗快堆主要材料

CEFR堆芯燃料組件及控制棒組件材料第十四頁，共四十三頁。中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內(nèi)主要部件堆內(nèi)部件材料大部分采用進(jìn)口材料（瑞典和俄羅斯產(chǎn)）部分材料使用國產(chǎn)不銹鋼第十五頁，共四十三頁。中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內(nèi)主要部件材料：瑞典進(jìn)口奧氏體鋼316SS功能：堆芯、堆內(nèi)部件及高溫液態(tài)鈉的容器尺寸：內(nèi)徑為7960mm，壁厚

50mm/25mm（最大/最?。┲亓浚?05噸環(huán)境：鈉溫420oC

壽期最大中子注量≤1x1018n/cm2主容器感謝中國一重提供照片第十六頁，共四十三頁。中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內(nèi)主要部件材料：俄羅斯產(chǎn)

08X16H11M3

（相當(dāng)于316不銹鋼）重量：65噸環(huán)境：鈉溫400oC

壽期最大中子注量≤1x1018n/cm2堆內(nèi)支承第十七頁，共四十三頁。中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內(nèi)主要部件材料：瑞典產(chǎn)304SS功能：堆芯組件的支承固定裝置重量：約7.4噸環(huán)境：鈉溫360oC

壽期最大中子注量≤4.4x1020n/cm2柵板聯(lián)箱第十八頁，共四十三頁。中國實驗快堆主要材料

堆容器及堆內(nèi)主要部件材料：俄羅斯產(chǎn)

08X16H11M3功能：保持堆芯組件結(jié)構(gòu)完整性重量：約6噸環(huán)境：鈉溫360-530oC

壽期最大中子注量≤4x1023n/cm2堆芯圍桶第十九頁，共四十三頁。中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內(nèi)主要部件材料：俄羅斯產(chǎn)

08X16H11M3功能：將高溫液態(tài)鈉導(dǎo)入堆芯和中間熱交換器環(huán)境：鈉溫360oC

壽期最大中子注量

1x1018n/cm2壓力管部件第二十頁，共四十三頁。中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內(nèi)主要部件材料：俄羅斯產(chǎn)

08X16H11M3功能：鈉泵的支承結(jié)構(gòu)環(huán)境：鈉溫400oC

壽期最大中子注量≤1x1018n/cm2泵支承第二十一頁，共四十三頁。中國實驗快堆主要材料

堆容器及堆內(nèi)主要部件材料：管材及殼體俄羅斯產(chǎn)

08X16H11M3

支承：國產(chǎn)304SS環(huán)境：鈉溫516-310oC

壽期最大中子注量≤1x1018n/cm2中間熱交換器第二十二頁，共四十三頁。中國實驗快堆主要材料蒸汽發(fā)生器材料：俄羅斯產(chǎn)

10X2M功能：高溫鈉三回路水水蒸汽透平機(jī)環(huán)境：鈉側(cè)495oC

水側(cè)370oC，

壓力：14MPa

第二十三頁，共四十三頁。二回路管道材料管道材材料：304不銹鋼參數(shù)管徑:

325x12mm,

219x10mmTemp.ofNainhot-leg:495oCTemp.ofNaincold-leg:310oC

流量:274kg/s中國實驗快堆主要材料

第二十四頁，共四十三頁。316-TiS.S.attackedbyfissionproductsathighoxygencontent試驗參數(shù):材料:316-TiS.S.20%c.w.試驗溫度:700oC試驗時間:120hOxygenbuffer:Cr/Cr2O3&Ni/NiOCs,TeandSemixture:模擬裂變產(chǎn)物燃料-包殼化學(xué)相互作用(FCCI)堆外模擬實驗XuYongli,LongBinetal,IAEA-TECDOC-1039,p119-128鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料使用性能研究

第二十五頁，共四十三頁。材料與高溫鈉的相容性ventpipeSodiumin靜態(tài)試驗裝置參數(shù):最高溫度:800oC覆蓋氣體:Argon鈉中氧含量:10ppm鈉中碳含量:10ppm惰性氣體循環(huán)手套箱靜態(tài)試驗釜鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料使用性能研究

第二十六頁，共四十三頁。裝置參數(shù):試驗段最高溫度:550oC冷、熱段最大溫差:100oC流速:4-5cm/s鈉中氧含量:≤25ppm(min.)高溫鈉熱對流回路準(zhǔn)動態(tài)試驗材料與高溫鈉的相容性鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料使用性能研究

第二十七頁，共四十三頁。質(zhì)量遷移效應(yīng)裝置參數(shù):總電功率:～

85kW總?cè)莘e:～

0.125m3高溫試驗段溫度:550-600oC低溫試驗段溫度:350-400oC最大溫差:250oC高溫鈉質(zhì)量遷移試驗回路hotlegcoldlegpurificationby-pass主回路流量:1.2m3/h凈化旁路流量3/h系統(tǒng)壓力鈉中氧含量:10-20ppm材料與高溫鈉的相容性鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料使用性能研究

第二十八頁，共四十三頁。應(yīng)力下的腐蝕Corrosiontestunderstress參數(shù):試驗段溫度:550-600oC最大加載力:200MPa鈉中氧含量:50-100ppm材料與高溫鈉的相容性鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料使用性能研究

第二十九頁，共四十三頁。蠕變雙軸蠕變試驗裝置

裝置參數(shù):試驗段溫度:550oC最大載荷:200MPa鈉中氧含量:10-20ppm單軸蠕變裝置參數(shù):試驗段溫度:200-800oC最大載荷:50kN鈉中氧含量:10-20ppm材料與高溫鈉的相容性鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料使用性能研究

第三十頁，共四十三頁。裝置參數(shù):試驗段溫度:360oC壓力:20MPa容積:5L裝置參數(shù):試驗段溫度:360oC壓力:20MPa

流量:10t/h高溫高壓動水腐蝕試驗回路高壓釜材料與高溫高壓水的相容性鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料使用性能研究

第三十一頁，共四十三頁。中國實驗快堆-CEFRCEFRCEFR一般區(qū)域:1.5x1015n/cm2.s

≈14dpa/100fped中心區(qū)域:3.1x1015n/cm2.s≈28dpa/100fped鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究

第三十二頁，共四十三頁。一般孔道:2.6dpa/year中心孔道:25dpa/year中國先進(jìn)研究堆-CARR鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究

第三十三頁，共四十三頁。492泳池式反應(yīng)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反應(yīng)堆控制間鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究

第三十四頁，共四十三頁。輻照后檢驗熱室高放射性部件的分割解體、樣品分裝;部件及材料的外觀檢查、性能測試及微觀結(jié)構(gòu)分析FracturesurfaceofF82H,19dpa/360oCBFimageshowstheheliumbubbleofT91afterirradiatedto13.5dpainspalltionsource鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究

第三十五頁，共四十三頁。熱室內(nèi)的機(jī)械性能測試?yán)?、疲勞以及斷裂韌性;溫度:-100to400oC載荷

:0to100kN鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究

輻照后檢驗第三十六頁，共四十三頁。小樣品拉伸、沖壓及斷裂韌性測試試驗：溫度:-170～25oC載荷:0～10kNspecimenspressurehead鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究

輻照后檢驗第三十七頁，共四十三頁。半熱室中的萬能試驗機(jī)：溫度:-100～300oC載荷:0～50kNKIC(med)KIC(0.95)KIC(0.05)TesttemperatureoC鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究

輻照后檢驗第三十八頁，共四十三頁。TransTempprogram半熱室中的擺錘沖擊試驗機(jī)：溫度:-130～200oC沖擊時間:≤3s(5s)對中精度:±0.14mm(0.25)TesttemperatureoCAbsorptionEnergyJ鈉冷快堆結(jié)構(gòu)材料輻照性能研究

輻照后檢驗第三十九頁，共四十三頁。CFR-1000的主要參數(shù)ParametersDataParametersData熱功率2500MW最大燃耗100MW