鈉冷快堆中的結(jié)構(gòu)材料

核電材料應(yīng)用技術(shù)國(guó)際研討會(huì)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(guó)原子能科學(xué)研究院國(guó)家能源快堆工程技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）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(guó)的成功正在運(yùn)行的:4plants,11units,about8.6GWe正在建設(shè)的:19unitswith～20GWe計(jì)劃在建設(shè)的:7unitswith～7GWeCurtsytoMr.PanZiqiang前言第四頁，共四十三頁。核電在中國(guó)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(zhǎng)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(guó)快堆發(fā)展現(xiàn)狀CDFR示范快堆

電功率:600-900MWe

初始設(shè)計(jì):2007年

完成:2020年快堆發(fā)展戰(zhàn)略中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆CEFR順利臨界《核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2005-2020年)》提出：“及時(shí)啟動(dòng)快堆示范工程”。2006年發(fā)布的中國(guó)工程院咨詢項(xiàng)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(bào)告”提出：“為了加速我國(guó)快堆商用化的進(jìn)程，不排除在國(guó)內(nèi)、國(guó)際條件許可的情況下，由實(shí)驗(yàn)快堆直接向示范快堆過渡”。2007年8月中科院向國(guó)務(wù)院呈送的《二十一世紀(jì)上半葉我國(guó)能源可持續(xù)發(fā)展體系戰(zhàn)略研究》報(bào)告（科發(fā)學(xué)部字［2007］243號(hào)）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(guó)家重大專項(xiàng)。CCFR商用快堆

電功率:1000-1500MWe

初始設(shè)計(jì):2020年

完成:2030-2032年TobefilledCEFR

電功率:20MWe

初始設(shè)計(jì):1990

完成:2010年CFR1000示范快堆

電功率:1000MWe

初始設(shè)計(jì):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(guó)快堆發(fā)展現(xiàn)狀*引自張東輝博士《中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆進(jìn)展及熱工流體綜述》2006.06主容器檢驗(yàn)試驗(yàn)完成2002.08Celebrationforsealing-topofthereactorbuilding2010.07.21reachtocritical第八頁，共四十三頁。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆CEFR主要設(shè)計(jì)參數(shù)泳池式反應(yīng)堆336.6噸核級(jí)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(guó)實(shí)驗(yàn)快堆主要參數(shù)

CEFR主要設(shè)計(jì)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)產(chǎn)不銹鋼第十五頁，共四十三頁。中國(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)一重提供照片第十六頁，共四十三頁。中國(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)快堆主要材料

第二十四頁，共四十三頁。316-TiS.S.attackedbyfissionproductsathighoxygencontent試驗(yàn)參數(shù):材料:316-TiS.S.20%c.w.試驗(yàn)溫度:700oC試驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)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(duì)流回路準(zhǔn)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)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(yàn)段溫度:550-600oC低溫試驗(yàn)段溫度:350-400oC最大溫差:250oC高溫鈉質(zhì)量遷移試驗(yàn)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(yàn)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?cè)囼?yàn)裝置

裝置參數(shù):試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)段溫度:360oC壓力:20MPa容積:5L裝置參數(shù):試驗(yàn)段溫度:360oC壓力:20MPa

流量:10t/h高溫高壓動(dòng)水腐蝕試驗(yàn)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(guó)實(shí)驗(yàn)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(guó)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(yàn)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(cè)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(cè)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(yàn)第三十六頁，共四十三頁。小樣品拉伸、沖壓及斷裂韌性測(cè)試試驗(yàn)：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(yàn)第三十七頁，共四十三頁。半熱室中的萬能試驗(yàn)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(yàn)第三十八頁，共四十三頁。TransTempprogram半熱室中的擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)：溫度:-130～200oC沖擊時(shí)間:≤3s(5s)對(duì)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(yàn)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