铅铋冷快堆燃料与结构材料的选择及主要问题

1、 秦秦 博博 阮章顺阮章顺 张金权张金权 付晓刚付晓刚 任丽霞任丽霞 杨杨 文文中国原子能科学研究院中国原子能科学研究院反应堆设计研究部反应堆材料中心反应堆设计研究部反应堆材料中心china institute of atomic energy, 102413, beijing, chinachina institute of atomic energy, 102413, beijing, china ads系统原理和构成强流质子加速器强流质子加速器提供高能质子束，轰击提供高能质子束，轰击重金属散裂靶重金属散裂靶，产生高通量散裂中子，产生高通量散裂中子驱动驱动次临界反应堆芯次临界反应堆芯运行，

2、将长寿命运行，将长寿命（万年以上）高放核废料嬗变成短寿命高放核废料嬗变成短寿命（百年级）核废料，达到焚烧核废料中长寿命核素的目的核废料，达到焚烧核废料中长寿命核素的目的铅铋冷快堆的应用背景铅铋冷快堆的应用背景-ads-ads系统系统铅铋合金（铅铋合金（lbelbe）铅铋合金冷却剂铅铋合金冷却剂创新型核能系统创新型核能系统-giv -giv 第四代反应堆第四代反应堆钠冷快中子反应堆钠冷快中子反应堆 (sfr)(sfr)铅冷快中子反应堆铅冷快中子反应堆 (lfr)(lfr)气冷快中子反应堆气冷快中子反应堆 (gfr)超临界水堆超临界水堆 (scwr)超高温堆超高温堆 (vhtr)熔盐金属反应堆熔盐

3、金属反应堆(msr)铅铋冷快堆的应用背景铅铋冷快堆的应用背景-lfr-lfr铅铋冷快堆的应用背景铅铋冷快堆的应用背景- -小型化小型化lfrlfr上天下海致谢：杨宏义教授提供资料致谢：杨宏义教授提供资料致谢：喻宏教授提供资料致谢：喻宏教授提供资料空空间间电电站站深深海海电电站站小型车载式移动电源小型车载式移动电源铅铋快堆的优点铅铋快堆的优点感谢喻宏教授提供素材铅铋快堆具有高安全、小型化、长寿命、高功率密度等特点。堆芯寿命510满功率年反应堆寿期1530年 系统简化易实现池式一体化布置无中间回路系统屏蔽设计可以简化无复杂专设安全系统核热供应模块一体化设计热电转换模块储电、供热等能源供给模块海水淡

4、化模块可实现少人或无人控制巡航速度高提速快自然循环可大幅降低噪声源运行在低压状态和相对稳定的化学特性，使其具备固有的非能动安全特性可实现完全自然循环铅铋沸点高，不会发生传热恶化铅铋冷快堆堆芯的完全融化的可能性非常小非能动放射性包容冷却剂：铅铋合金，冷却剂：铅铋合金，lead bismuth eutectic(lbe) lbelbe的相图（的相图（pb-55.5bipb-55.5bi）什么是铅铋合金？什么是铅铋合金？pb: 44.5 wt.%bi: 55.5wt.%j 好的中子学性能好的中子学性能，能够发生散裂反应，在相同的质子束功，能够发生散裂反应，在相同的质子束功率下，可获得比固态钨靶更高中

5、子通量密度率下，可获得比固态钨靶更高中子通量密度j 高的传热能力高的传热能力；j 高沸点高沸点(1725)(1725)、低熔点低熔点(125.5)(125.5)： - -系统可以在低温、低压条件下运行，降低了系统实现的难度和高温高系统可以在低温、低压条件下运行，降低了系统实现的难度和高温高压下运行所带来的安全风险；压下运行所带来的安全风险； - -在堆运行温度下，在堆运行温度下，lbelbe的饱和蒸汽压低，可缩减因铅铋蒸发与沉积所的饱和蒸汽压低，可缩减因铅铋蒸发与沉积所引起的系统控制和维修等问题的数量引起的系统控制和维修等问题的数量； - -可排除严重事故、超设计基准事故情况下堆芯过热引起主回

6、路增压、可排除严重事故、超设计基准事故情况下堆芯过热引起主回路增压、沸腾和热爆炸的可能性沸腾和热爆炸的可能性 - -由于排除了冷却剂气化，有可能防止失去冷却剂事故由于排除了冷却剂气化，有可能防止失去冷却剂事故铅铋合金的优点铅铋合金的优点水（水（0.62）氦气（）氦气（0.144）钠（）钠（130）lbe（12.6）j 低的热中子吸收截面低的热中子吸收截面j化学活性小：化学活性小： - -消除了万一冷却剂泄漏到反应堆房间或因消除了万一冷却剂泄漏到反应堆房间或因sgsg传热管断裂，液态金属传热管断裂，液态金属- -水相互反应，发生火灾和爆炸的可能性。水相互反应，发生火灾和爆炸的可能性。 - -反应

7、堆采用整体设计，允许非能动排除余热。即使失去其它所有的热反应堆采用整体设计，允许非能动排除余热。即使失去其它所有的热排出系统，仍然可用环绕容器的空气或水自然循环冷却反应堆容器，排出系统，仍然可用环绕容器的空气或水自然循环冷却反应堆容器，避免堆芯极度过热使堆芯损坏。避免堆芯极度过热使堆芯损坏。j 更好地屏蔽更好地屏蔽 射线射线j lbelbe固化时较少的体积变化固化时较少的体积变化： - -可进行多次的可进行多次的“凝固熔化凝固熔化”操作，反应堆设备和部件也不会受到变操作，反应堆设备和部件也不会受到变形和损伤形和损伤 铅铋合金的优点铅铋合金的优点l 高密度高密度 ( (不锈钢部件和燃料组件浮起来

8、）不锈钢部件和燃料组件浮起来）l 不透明不透明 （燃料组件操作时不可视）（燃料组件操作时不可视）l lbe lbe与结构材料的相容性较差，尤其需要考虑燃料元件包与结构材料的相容性较差，尤其需要考虑燃料元件包壳材料在液态壳材料在液态lbelbe中的腐蚀中的腐蚀l 容易产生氧化物（如容易产生氧化物（如pbopbo）从而阻塞流道）从而阻塞流道l bi bi 活化会产生放射性同位素活化会产生放射性同位素 210210popo液态铅铋合金液态铅铋合金铅铋合金的缺点铅铋合金的缺点最早的铅铋合金冷却快堆最早的铅铋合金冷却快堆pb-bi exp facility (1951) 首艘铅铋核潜艇（ns-645）7

9、3mwth(1963)ns-705铅铋核潜艇155mwth(1971)ns-705系列铅铋核潜艇（7艘）155mwth(1976-1996)svbr-100陆上堆（2017）ns-645核潜艇巡航出现事故 lbe氧浓度没有进行控制而导致氧化物集聚引起了管道的堵塞、材料腐蚀问题的出现p 俄罗斯具有铅铋堆核动力水下运行经验p gif下设的铅冷快堆临时系统指导委员会（pssc）给出的三种铅冷快堆参考堆型正在设计研发的铅铋冷快堆正在设计研发的铅铋冷快堆流体套管流体套管功率：1500/600mw1500/600mw燃料：mox冷却剂温度：400/480oc包壳温度：max540oc 功率：700/300

10、mw700/300mw燃料：氮化铀+氮化钚冷却剂温度：420/540oc包壳温度：max650oc 功率：45/20mw45/20mw燃料：氮化物冷却剂温度：420/560oc包壳温度：max650oc p 原子能院紧紧抓住国家军民两用战略需求，聚焦固定和移动两个型号系列，以示范项目为牵引，围绕型号初步设计，开展相关关键技术研究正在设计研发的铅铋冷快堆正在设计研发的铅铋冷快堆功率：15/3mw15/3mw燃料：uo2或mox冷却剂温度：340/485oc包壳温度：max540oc 铅及铅铋冷快堆技术面临的挑战铅及铅铋冷快堆技术面临的挑战燃料的选择燃料的选择top-capupper reflec

11、tor-insulatorod=5.40 id=1.506006060580202014006.55bottom-caplower reflector-insulatorod=5.40 id=1.50fuel pellet od=5.40 id=1.60gas plenum60springcladding od=6.55 id=5.60supportspring chambertop-capupper reflector-insulatorod=5.40 id=1.506006060580202014006.55bottom-caplower reflector-insulatorod=5.4

12、0 id=1.50fuel pellet od=5.40 id=1.60gas plenum60springcladding od=6.55 id=5.60supportspring chamberdin cladd dgapd dcladcurtsy to dr. steven van dyck of sck cen 包壳材料包壳材料 外套管材料外套管材料 上端塞压紧弹簧上端隔热块下端隔热块金属绕丝燃料区下端塞包壳操作头外套管堆芯支撑lbe入口结构材料的选择结构材料的选择包壳材料包壳材料外套管材料外套管材料辐照效应辐照效应辐照肿胀辐照肿胀辐照引起的蠕变辐照引起的蠕变辐照脆化辐照脆化辐照肿胀辐

13、照肿胀辐照引起的蠕变辐照引起的蠕变辐照脆化辐照脆化力学性能力学性能拉伸强度拉伸强度拉伸塑性拉伸塑性蠕变强度蠕变强度蠕变塑性蠕变塑性拉伸强度拉伸强度拉伸塑性拉伸塑性腐腐 蚀蚀与与lbelbe的相容性的相容性与燃料的相容性与燃料的相容性与裂变产物的相容性与裂变产物的相容性与与lbelbe的相容性的相容性其其 他他良好的加工性能良好的加工性能国际上较为成熟的使用经验国际上较为成熟的使用经验与可供选择的材料与可供选择的材料燃料组件材料的选材标准燃料组件材料的选材标准结构材料的选择结构材料的选择材料辐照肿胀随辐照损伤剂量材料辐照肿胀随辐照损伤剂量dpadpa的变化的变化long bin, long bi

14、n, china institute of atomic energy, 102413, beijing, chinachina institute of atomic energy, 102413, beijing, china结构材料的性能之一结构材料的性能之一20% c.w. 316 ti 20% c.w. 316 ti 的肿胀的肿胀fftffftf辐照，注量：辐照，注量：1.5x101.5x102323n/cmn/cm3 3材料韧脆转变温度（材料韧脆转变温度（dbttdbtt）与与crcr含量的关系含量的关系铁素体铁素体- -马氏体马氏体不锈钢的韧脆转变温度（不锈钢的韧脆转变温度（db

15、ttdbtt）结构材料的性能之二结构材料的性能之二lbe的氧含量为10-8 10-6 wt.%450 3000h cn1515450 3000h t91结构材料的性能之三结构材料的性能之三10mlbe的氧含量为10-8 10-6 wt.%450 6000h cn1515316ti-550oc-6000ht91-550oc-6000h304ss-500oc-1000hcn1515-600-6000h234mcn1515-600-3000h 190mcn1515-600-1000h 80mt91-600oc-6000h解决方法解决方法fm-al-re合金在合金在 550oc铅腐蚀铅腐蚀19000

16、h引自：peter dmstedt, mats lundberg and peter szakalos corrosion studies of low-alloyed fecral steels in liquid lead at 750 oc, oxidation of metals (2019) fe-10cr-4al-re re（活性元素）：ti, zr, nb, y 减少辐照脆性和增加可焊性 在铅或铅铋中形成100nm的保护性的氧化铝层解决方法之一解决方法之一 新材料新材料fm-al-re合金合金在在 750oc铅腐蚀铅腐蚀1800 h在高温下，在高温下，虽然表面覆虽然表面覆盖氧化铝

17、层，盖氧化铝层，但仍发现但仍发现铅铅的侵入的侵入fe-cr-ni-al-re合金合金 550oc lbe腐蚀腐蚀1000 h (氧含量：氧含量：1 10-6 wt.%）simp钢与钢与 t91钢在钢在 600 oc的静态饱和氧的静态饱和氧 lbe腐蚀腐蚀1000 h的截面形貌的截面形貌添加si，在基体和氧化铬之间形成一个保护膜，加强对基体元素的溶解的阻碍作用simp钢t91钢上述结果引自：杨 柯、严 伟、 、单以银、石全强、史显波、王 威，金属学报， vol.52, no.10, oct. 2016, pp.1207-1221解决方法之一解决方法之一 新材料新材料解决方法之一解决方法之一 新材

18、料新材料奥氏体不锈钢钢奥氏体不锈钢钢jpca和和sandvik sx 钢在饱和氧的钢在饱和氧的lbe550oc腐蚀腐蚀3000 h cr含量的增加有助于si氧化物生成： 18cr-20ni-5siy. kurata, m. futakawa / journal of nuclear materials 325 (2004) 217222jpcasandvik sx fe-cr-ni-si解决方法之二解决方法之二 表面涂层技术表面涂层技术jpcafecraly bonding layer +fully dense and compact topcoatcurtsy to dr. p. agost

19、ini， enea解决方法之三解决方法之三 lbe lbe中的氧控制中的氧控制)(2)(2)(liquidgasdissolvedpbohhpbo)()(2)(dissolvedgasliquidpboopb部件材料部件材料辐照效应辐照效应辐照脆化（低辐照剂量）辐照脆化（低辐照剂量）力学性能力学性能抗拉强度抗拉强度蠕变蠕变- -疲劳交互作用疲劳交互作用蠕变蠕变腐腐 蚀蚀与与lbelbe的相容性的相容性其其 他他设计准则（满足设计准则（满足rcc-mrrcc-mr或或asmeasme标准标准) )结构的完整性结构的完整性可焊性和良好的加工性能可焊性和良好的加工性能与可供选择的材料以及良好的经济型

20、与可供选择的材料以及良好的经济型低周疲劳低周疲劳高周疲劳高周疲劳 堆芯支撑堆芯支撑 主容器主容器 堆芯围桶堆芯围桶 泵泵 中间热交换器中间热交换器 控制棒驱动机构控制棒驱动机构堆内主要材料的选材标准堆内主要材料的选材标准结构材料的选择结构材料的选择奥氏体奥氏体316不锈钢和铁素体不锈钢和铁素体-马氏体钢马氏体钢t91的性能的性能元素元素含量（含量（wt.%)元素元素含量（含量（wt.%)元素元素含量（含量（wt.%)c0.05-0.12n0.03-0.07si0.20-0.50cr5.0-9.5nb0.06-0.10al0.04 maxmn0.30-0.60s0.01 maxni0.40 ma

21、xmo0.55-1.05p0.02 maxv0.15-0.25t91t91的化学成分的化学成分 （剩余为（剩余为fefe）316316的化学成分（剩余为的化学成分（剩余为fefe）asme代码代码sa-240 （板材、带材及棒材）（板材、带材及棒材）元素元素含量（含量（wt.%) 元素元素含量（含量（wt.%) 元素元素含量（含量（wt.%)cr16.00-18.00c 0.03p 0.045ni10.00-14.00mn 2.0n 0.10mo2.00-3.00si 0.75s 0.03材料选择材料选择材料研究需要关注的问题材料研究需要关注的问题jpca材料研究需要关注的问题材料研究需要关注的问题jpca塑性