钠冷快堆中的结构材料

1、龙龙 斌斌 韩丽萍韩丽萍 张金权张金权 付晓刚付晓刚 秦博秦博苏喜平苏喜平 周培德周培德 张东辉张东辉中国原子能科学研究院中国原子能科学研究院国家能源快堆工程技术研发（实验）中心国家能源快堆工程技术研发（实验）中心China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China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 (

2、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金属反应堆(MSR)前前 言言前前 言言Generation I原型堆原型堆 秦山秦山I I期期Generation II商用堆商用堆 秦山秦山IIII期期 秦山秦山IIIIII期期 大亚湾电站大亚湾电站 岭奥电站岭奥电站 田湾电站田湾电站Generation III先进型堆先进型堆 AP-1000 CAP-1000Generation IV创新型堆创新型堆 CEFR CDFR CCFRl SCWR1985压水堆电站在中国的成功压水堆电站在中国的成功p

3、 正在运行的正在运行的: : 4 plants, 11 units, about 8.6GWep 正在建设的正在建设的: : 19 units with 20GWep 计划在建设的计划在建设的: : 7 units with 7GWeCurtsy to Mr. Pan Ziqiang前前 言言核电在中国能源供给中的地位核电在中国能源供给中的地位20152015年电能中各种电力供给形式所占的比例年电能中各种电力供给形式所占的比例* JIANG Ze-min, Reflection on energy issues in China, CHINA NUCLEAR POWER, Vol.1, No.

4、2, p.98-113, 2008前前 言言20072007年电能中各种电力供给形式所占的比例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为什么要发展快堆? 铀资源的贫乏铀资源的贫乏, 不足以支承不足以支承大量大量 NPPs 的运行的运行 PWR: 1% 利用率利用率 (U235丰度丰度:0.71%) SFR: 60-70%利用率利用率(能将能将U238转化成易裂变转化成易裂变Pu239) 降低錒系元素和长寿命裂变产物降低錒系元素和长寿命裂变产物(核废料核废料)的地质埋填的地质埋填前前 言言中国快堆发展现状中国快堆发展现状CDFR 示范快堆示范快堆 电功率电功率: 600- 900MWe

5、 初始设计初始设计: 2007年年 完成完成: 2020年年快堆发展战略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 商用快堆商用快堆 电功率电功率: 1000- 1

6、500MWe 初始设计初始设计: 2020年年 完成完成: 2030-2032年年To be filledCEFR 电功率电功率: 20MWe 初始设计初始设计:1990 完成完成: 2010年年CFR1000 示范快堆示范快堆 电功率电功率: 1000MWe 初始设计初始设计: 2010年年 完成完成: 2022年年CEFR 大事记大事记2000.05浇灌第一罐混凝土浇灌第一罐混凝土2002.08核岛厂房封顶核岛厂房封顶2005.08 堆本体安装开始堆本体安装开始2007.06 完成堆内构件安装完成堆内构件安装2008.03旋塞安装就位旋塞安装就位中国快堆发展现状中国快堆发展现状* 引自张东

7、辉博士引自张东辉博士中国实验快堆进展及热工流体综述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主容器检验试验完成2002.08Celebration for sealing-top of the reactor building2010.07.21 reach to critical中国实验快堆中国实验快堆CEFR CEFR 主要设计参数主要设计参数l 泳池式反应堆泳池式反应堆l 336.6336.6吨核级钠吨核级钠l 热功率热功率: : 65MWl 电功率电功率: : 20MWl 反应堆寿命反应堆寿命: : 30年年二回路二回路三回路三回路堆本体堆本体l高度高度: 45.0

8、cml直径直径: 60.0cm l燃料燃料/ /首炉燃料首炉燃料: (Pu,U)O2/UO2lPu（总量）（总量）: 150.3kglPu-239: 97.7kglU-235(enrichment): 42.6kg (19.6%)/236.7kg (64.4%)l最大线功率最大线功率: 430w/cml中子通量中子通量: 3.7x1015 n/cm2.s (max.) 平均中子通量平均中子通量: 1.76x1015 n/cm2.sl目标燃耗目标燃耗: 100,000MWd/tl堆芯入口钠温堆芯入口钠温: 360oC l堆芯出口钠温堆芯出口钠温: 530oC l主容器尺寸主容器尺寸(O): 8.

9、010m中国实验快堆主要参数中国实验快堆主要参数 CEFR CEFR 主要设计参数主要设计参数l 堆芯组件材料堆芯组件材料l 结构材料结构材料 中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料控制棒组件控制棒组件 8 8不锈钢屏蔽组件不锈钢屏蔽组件: :332332 中国实验快堆主要材料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堆芯燃料组件及控制棒组件材料燃料组件燃料组件感谢上海第一机床厂提供照片感谢上海第一机床厂提供照片CEFR 堆芯布置堆芯布置l 堆芯组件材料堆芯组件材料 燃料燃料: - 氧化物燃料氧化物燃料 (MOX) - 金属燃料金属燃料 (U-Pu-Zr) 燃料组件燃料组件

10、- 包壳包壳: ChS-68 - 外套管外套管: -450 (all Russian steels)中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料CEFR 堆芯燃料组件及堆芯燃料组件及控制棒组件材料控制棒组件材料13上端塞上端塞压紧弹簧压紧弹簧上轴向上轴向转换区转换区下轴向下轴向转换区转换区金属绕丝金属绕丝燃料区燃料区下端塞下端塞包壳包壳操作头操作头外套管外套管堆芯支撑堆芯支撑钠入口钠入口燃料组件燃料组件材材 料料温温 度度（o oC C）中子通量中子通量（n/cmn/cm2 2s s）包包 壳壳外套管外套管燃料组件燃料组件C-68C-68-450-450360-560360-5606.6x106.

11、6x101515控制棒组件控制棒组件安全棒安全棒C-68C-6808X16H11M308X16H11M3360-550360-5503.2x103.2x101515 调节棒调节棒C-68C-6808X16H11M308X16H11M3360-548360-5483.2x103.2x101515补偿棒补偿棒C-68C-6808X16H11M308X16H11M3360-554360-5543.2x103.2x101515中子源组件中子源组件C-68C-6808X16H11M308X16H11M3360-530360-5303.2x103.2x101515不锈钢屏蔽组件不锈钢屏蔽组件316Ti31

12、6Ti316Ti316Ti600 600 （maxmax） 3.2x103.2x101515硼屏蔽组件硼屏蔽组件316Ti316Ti316Ti316Ti550 (max)550 (max)3.8x103.8x101515中国实验快堆主要材料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堆芯燃料组件及控制棒组件材料中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件堆容器及堆内主要部件l 堆内部件材料大部分堆内部件材料大部分采用进口材料（瑞典采用进口材料（瑞典和俄罗斯产）和俄罗斯产）l 部分材料使用国产不部分材料使用国产不锈钢锈钢中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料堆容

13、器及堆内主要部件堆容器及堆内主要部件l 材料：瑞典进口奥氏体钢材料：瑞典进口奥氏体钢316SSl 功能：堆芯、堆内部件及高温功能：堆芯、堆内部件及高温液态钠的容器液态钠的容器l 尺寸：内径为尺寸：内径为7960mm7960mm，壁厚，壁厚 50mm/25mm50mm/25mm（最大（最大/ /最小）最小）l 重量：重量：105105吨吨l 环境：钠温环境：钠温420420o oC C 寿期最大中子注量寿期最大中子注量 1x101x101818n/cmn/cm2 2主容器主容器感谢中国一重提供照片感谢中国一重提供照片中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件堆容器及堆内主要部件

14、l 材料：俄罗斯产材料：俄罗斯产 08X16H11M3 （相当于（相当于316不锈钢）不锈钢）l 重量：重量：6565吨吨l 环境：钠温环境：钠温400400o oC C 寿期最大中子注量寿期最大中子注量 1x101x101818n/cmn/cm2 2堆内支承堆内支承中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件堆容器及堆内主要部件l 材料：瑞典产材料：瑞典产 304SSl 功能：堆芯组件的支功能：堆芯组件的支 承固定装置承固定装置l 重量：约重量：约7.47.4吨吨l 环境：钠温环境：钠温360360o oC C 寿期最大中子注量寿期最大中子注量 4.4x104.4x10202

15、0n/cmn/cm2 2栅板联箱栅板联箱中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料 堆容器及堆内主要部件堆容器及堆内主要部件l 材料：俄罗斯产材料：俄罗斯产 08X16H11M3l 功能：保持堆芯组件功能：保持堆芯组件 结构完整性结构完整性l 重量：约重量：约6 6吨吨l 环境：钠温环境：钠温360-530360-530o oC C 寿期最大中子注量寿期最大中子注量 4x104x102323n/cmn/cm2 2堆芯围桶堆芯围桶中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件堆容器及堆内主要部件l 材料：俄罗斯产材料：俄罗斯产 08X16H11M3l 功能：将高温液态钠功能：将高温液

16、态钠 导入堆芯和中导入堆芯和中 间热交换器间热交换器l 环境：钠温环境：钠温360360o oC C 寿期最大中子注量寿期最大中子注量 1x101x101818n/cmn/cm2 2压力管部件压力管部件中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件堆容器及堆内主要部件l 材料：俄罗斯产材料：俄罗斯产 08X16H11M3l 功能：钠泵的支承结构功能：钠泵的支承结构l 环境：钠温环境：钠温400400o oC C 寿期最大中子注量寿期最大中子注量 1x101x101818n/cmn/cm2 2泵支承泵支承中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料 堆容器及堆内主要部件堆容器及堆内主要

17、部件l 材料：管材及壳体材料：管材及壳体 俄罗斯产俄罗斯产 08X16H11M3 支承：国产支承：国产304SSl 环境：钠温环境：钠温516-310516-310o oC C 寿期最大中子注量寿期最大中子注量 1x101x101818n/cmn/cm2 2中间热交换器中间热交换器中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料蒸汽发生器蒸汽发生器l 材料：俄罗斯产材料：俄罗斯产 10X2Ml 功能：高温钠功能：高温钠 三回路三回路水水 水蒸汽水蒸汽 透平机透平机 l 环境：钠侧环境：钠侧495495o oC C 水侧水侧370370o oC C， 压力：压力：14MPa14MPa 二回路管道材料二回

18、路管道材料管道材材料管道材材料：304不锈钢不锈钢参数参数l 管径管径: 325x12mm, 219x10mml Temp. of Na in hot-leg: 495oCl Temp. of Na in cold-leg: 310oC l 流量流量: 274 kg/s中国实验快堆主要材料中国实验快堆主要材料 316-Ti S.S.attacked by fission products at high oxygen content试验参数试验参数: :l 材料材料: 316-Ti S.S. 20% c.w.l 试验温度试验温度: 700oCl 试验时间试验时间: 120hl Oxygen b

19、uffer: Cr/Cr2O3 & Ni/NiOl Cs, Te and Se mixture: 模拟裂模拟裂变产物变产物燃料燃料- -包壳化学相互作用包壳化学相互作用 (FCCI)堆外模拟实验堆外模拟实验Xu Yongli, Long Bin et al, IAEA-TECDOC-1039, p119-128钠冷快堆结构材料使用性能研究钠冷快堆结构材料使用性能研究 材料与高温钠的相容性材料与高温钠的相容性vent pipeSodium in静态试验静态试验装置参数装置参数:l 最高温度最高温度: 800oCl 覆盖气体覆盖气体: Argonl 钠中氧含量钠中氧含量: 10ppml 钠

20、中碳含量钠中碳含量: 10ppm惰性气体循环手套箱惰性气体循环手套箱静态试验釜静态试验釜钠冷快堆结构材料使用性能研究钠冷快堆结构材料使用性能研究 装置参数装置参数:l 试验段最高温度试验段最高温度: 550oCl 冷、热段最大温差冷、热段最大温差: 100oCl 流速流速: 4-5 cm/sl 钠中氧含量钠中氧含量: 25ppm(min.)高温钠热对流回路高温钠热对流回路准动态试验准动态试验材料与高温钠的相容性材料与高温钠的相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究钠冷快堆结构材料使用性能研究 质量迁移效应质量迁移效应装置参数装置参数:l 总电功率总电功率: 85kW l 总容积总容积: 0.125m

21、3l 高温试验段温度高温试验段温度: 550-600oCl 低温试验段温度低温试验段温度: 350-400oCl 最大温差最大温差: 250oC高温钠质量迁移试验回路高温钠质量迁移试验回路hot legcold legpurification by-passl 主回路流量主回路流量: 1.2m3/hl 净化旁路流量净化旁路流量: 0.22-0.125m3/hl 系统压力系统压力: 0.03-0.06MPal 钠中氧含量钠中氧含量: 10-20ppm材料与高温钠的相容性材料与高温钠的相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究钠冷快堆结构材料使用性能研究 应力下的腐蚀应力下的腐蚀Corrosion tes

22、t under stress参数参数:l 试验段温度试验段温度: 550-600oCl 最大加载力最大加载力: 200MPal 钠中氧含量钠中氧含量: 50-100ppm材料与高温钠的相容性材料与高温钠的相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究钠冷快堆结构材料使用性能研究 蠕变蠕变双轴蠕变试验装置双轴蠕变试验装置 装置参数装置参数:l 试验段温度试验段温度: 550oCl 最大载荷最大载荷: 200MPal 钠中氧含量钠中氧含量: 10-20ppm单轴蠕变单轴蠕变装置参数装置参数:l 试验段温度试验段温度: 200-800oCl 最大载荷最大载荷: 50kNl 钠中氧含量钠中氧含量: 10-20pp

23、m材料与高温钠的相容性材料与高温钠的相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究钠冷快堆结构材料使用性能研究 装置参数装置参数:l 试验段温度试验段温度: 360oCl 压力压力: 20MPal 容积容积: 5L装置参数装置参数:l 试验段温度试验段温度: 360oCl 压力压力: 20MPa l 流量流量: 10t/h高温高压动水腐蚀试验回路高温高压动水腐蚀试验回路高压釜高压釜 材料与高温高压水的相容性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钠冷快堆结构材料使用性能研究 中国实验快堆中国实验快堆 - - CEFRCEFR CEFR l 一般区域一般区域: 1.5x1015n/cm2.s 1

24、4 dpa/100fpedl 中心区域中心区域: 3.1x1015n/cm2.s 28 dpa/100fped钠冷快堆结构材料辐照性能研究钠冷快堆结构材料辐照性能研究 l 一般孔道一般孔道: : 2.6 dpa/yearl 中心孔道中心孔道: : 25 dpa/year中国先进研究堆中国先进研究堆 - CARR钠冷快堆结构材料辐照性能研究钠冷快堆结构材料辐照性能研究 492 492 泳池式反应堆泳池式反应堆 l 垂直孔道垂直孔道: -中心孔道中心孔道: 70 中子通量中子通量: 3x1013n/cm2.s -一般孔道一般孔道: 100 中子通量中子通量: 1x1012n/cm2.sl 水平孔道

25、水平孔道: 100 中子通量中子通量: 1x1010n/cm2.s反应堆控制间钠冷快堆结构材料辐照性能研究钠冷快堆结构材料辐照性能研究 辐照后检验辐照后检验热室热室 高放射性部件的分割解体、样品分装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、性能测试及部件及材料的外观检查、性能测试及微观结构分析微观结构分析Fracture surface of F82H, 19dpa/360oCBF image shows the helium bubble of T91 after irradiated to 13.5dpa in spalltion source钠冷快堆结构材料辐照性能研

26、究钠冷快堆结构材料辐照性能研究 热室内的机械性能测试热室内的机械性能测试 拉伸、拉伸、 疲劳以及断裂韧性疲劳以及断裂韧性; 温度温度: -100 to 400oC 载荷载荷 : 0 to 100kN钠冷快堆结构材料辐照性能研究钠冷快堆结构材料辐照性能研究 辐照后检验辐照后检验小样品拉伸、冲压及断裂韧性测试试验小样品拉伸、冲压及断裂韧性测试试验：温度温度: -17025oC载荷载荷: 010kN0.00.20.40.60.81.01.21.4010002000300040005000600070008000 20 0.278mm -50 0.3mm -60 0.272mm -70 0.283mm

27、 -80 0.29mm -90 0.279mm -100 0.278mm -110 0.278mm -120 0.273mm -130 0.265mm -140 0.272mm -150 0.272mmN/B2位移/mmspecimenspressure head钠冷快堆结构材料辐照性能研究钠冷快堆结构材料辐照性能研究 辐照后检验辐照后检验半热室中的万能试验机半热室中的万能试验机：温度温度: -100300oC载荷载荷: 050kNKIC(med)KIC(0.95)KIC(0.05)Test temperature oC钠冷快堆结构材料辐照性能研究钠冷快堆结构材料辐照性能研究 辐照后检验辐照后

28、检验194536.13tanh22TEEEEUlplp194536.13tanh22TEEEEUlplp194536.13tanh22TEEEEUlplpTransTemp program半热室中的摆锤冲击试验机半热室中的摆锤冲击试验机：温度温度: -130200oC冲击时间冲击时间: 3s (5s)对中精度对中精度: 0.14 mm (0.25)Test temperature oCAbsorption Energy J钠冷快堆结构材料辐照性能研究钠冷快堆结构材料辐照性能研究 辐照后检验辐照后检验CFR-1000的主要参数的主要参数ParametersDataParametersData热功率热功率2