快中子增殖堆

1、 第五章：第五章：快中子增值堆快中子增值堆一、快堆简介一、快堆简介二、钠冷快堆的特点二、钠冷快堆的特点三、三、几个典型钠冷快堆几个典型钠冷快堆四、钠冷快堆的挑战四、钠冷快堆的挑战一、快堆简介一、快堆简介 2121座快堆，座快堆，300300堆年运行经堆年运行经验。验。 法国，前苏联建造和运行大法国，前苏联建造和运行大型商用快堆。型商用快堆。 基本全部关闭（有基本全部关闭（有8 8座没彻座没彻底关闭），日本（底关闭），日本（MOUJUMOUJU）命运难测，三年内计划重新命运难测，三年内计划重新开启。开启。 中国在建试验快堆中国在建试验快堆6565MWth MWth (20MWe,(20MWe,池

2、式池式) ) 印度、韩国仍感兴趣。印度、韩国仍感兴趣。印度政府已经批准在英迪拉印度政府已经批准在英迪拉甘地原子研究中心甘地原子研究中心 建造一座建造一座500MWt500MWt的原型快堆的原型快堆一、简介一、简介 40-5040-50年代年代 英、法、德、日、美、苏等国优先发展英、法、德、日、美、苏等国优先发展，重点为燃料增殖。，重点为燃料增殖。 熔盐，气冷，钠冷快堆。熔盐，气冷，钠冷快堆。 6060年代注重经济性，用氧化物燃料（深燃耗，耐高年代注重经济性，用氧化物燃料（深燃耗，耐高温，但氧有慢化作用）代替金属燃料温，但氧有慢化作用）代替金属燃料 7070年代建原型堆：年代建原型堆：PFRPF

3、R（英国）（英国）、PhenixPhenix（法国）、（法国）、BNBN350350（苏联）、（苏联）、SNR-300SNR-300（德国）、（德国）、CRBRCRBR（美国（美国拟建），都是氧化物燃料不锈钢结构钠冷拟建），都是氧化物燃料不锈钢结构钠冷 8080年代示范快堆：年代示范快堆：BNBN600600（苏联）（苏联）、SuperPhenixSuperPhenix（法国），试验堆（法国），试验堆JoyoJoyo（日本常阳）（日本常阳） 19941994年年 MonjuMonju（日本文殊）（日本文殊） 9090年代后期，各国停止发展计划，快堆发展进入低年代后期，各国停止发展计划，快堆发展

4、进入低潮。潮。二、钠冷快堆的特点二、钠冷快堆的特点n冷冷 却却 剂：剂：早期用汞，钠钾合金早期用汞，钠钾合金现一致采用液态钠现一致采用液态钠 - - 运行温度高：运行温度高： 550 550 C C（高效发电）高效发电） - - 运行压力低：运行压力低：0.50.5MPaMPa（避免失压、失冷）避免失压、失冷） - - 冷却剂热容大：抗热冲击冷却剂热容大：抗热冲击 - - 流动性好：利于自然循环被动载热流动性好：利于自然循环被动载热二、钠冷快堆的特点二、钠冷快堆的特点 n钠钠 冷冷 却却 剂：剂：最好的热工性能最好的热工性能 - - 沸点高：沸点高：88883 3C C - - 熔点高：熔点高

5、：97.897.8C C - - 导热系数大导热系数大 na400na400/ / water20water20=100=100 - - 粘性小粘性小 na500na500/ / water20water201/41/4 - - 密度小密度小 na400na400/ / water20water20 =0.86 =0.86 液态金属钠液态金属钠具有较高的传热特性具有较高的传热特性很宽的温度范围内很宽的温度范围内保持为液态保持为液态普朗特数很小普朗特数很小1 可以在很高的温度下，在较小的温差情况下可以在很高的温度下，在较小的温差情况下 移走大量的热能移走大量的热能2 堆内燃料元件的热流很高，可以

6、达到较高的堆内燃料元件的热流很高，可以达到较高的 比功率比功率 3 由于热钠的热导好，热点因子也会减小，活由于热钠的热导好，热点因子也会减小，活 性区内温度变化随之降低，即使在热冲击的性区内温度变化随之降低，即使在热冲击的 情况下，结构变形的几率也非常小。情况下，结构变形的几率也非常小。 其熔点仅为其熔点仅为97.8，沸点高达，沸点高达882.9。这样使得快堆采用比较低的系统压力这样使得快堆采用比较低的系统压力就可以得到高的反应堆堆芯出口温度。就可以得到高的反应堆堆芯出口温度。从而获得较高的动力循环效率，而堆从而获得较高的动力循环效率，而堆容器内的压力又不高，降低了造价，容器内的压力又不高，降

7、低了造价，也就降低了发电成本。也就降低了发电成本。 1 与其它流体不同，在液态钠流道内的热阻不是集中在层流底层或缓冲层内，而是比较均匀的与其它流体不同，在液态钠流道内的热阻不是集中在层流底层或缓冲层内，而是比较均匀的 分布在整个截面上。分布在整个截面上。 2 液钠的高热导使得边界条件的影响达到更远的范围，因而流道的几何形状对液钠的热传递影液钠的高热导使得边界条件的影响达到更远的范围，因而流道的几何形状对液钠的热传递影 响很大。由于分子热导在整个流道中起着很重要的作用，流体中温度分布与边界的形状有很响很大。由于分子热导在整个流道中起着很重要的作用，流体中温度分布与边界的形状有很 大关系大关系 3

8、 湍流状态的液钠的热入口效应比普通流体大的多，发热面的热流分布情况对传热系数有很大湍流状态的液钠的热入口效应比普通流体大的多，发热面的热流分布情况对传热系数有很大 影响。影响。燃料包壳与冷却剂间温差小燃料包壳与冷却剂间温差小与堆内材料相容性好（堆芯材料用奥氏体不锈钢）与堆内材料相容性好（堆芯材料用奥氏体不锈钢）与各种燃料相容性好与各种燃料相容性好缺点缺点在中子辐照下有活性在中子辐照下有活性化学性质活泼，与氧、水有激烈反应化学性质活泼，与氧、水有激烈反应必须装二回路必须装二回路不透明性不透明性温度低于温度低于100 100 C C（97.8 97.8 C)C)将冷冻将冷冻 二、钠冷快堆的特点二、

9、钠冷快堆的特点二、钠冷快堆的特点二、钠冷快堆的特点 n裂变材料裂变材料：钚：钚239239，铀，铀235235n转换材料转换材料：铀：铀238238n中子类型中子类型：快中子（：快中子（0.080.08MeVMeV）n慢慢 化化 剂剂：无：无n堆堆 结结 构构：回路式（：回路式（1 16/21)6/21)，池式，池式( (5/21)5/21)n三回路传热三回路传热：钠钠水：钠钠水/ /蒸汽蒸汽二、钠冷快堆的特点二、钠冷快堆的特点 n增值比大于增值比大于1 1 n 1.24 1.24超凤凰，（超凤凰，（0.60.6压水堆）压水堆） n裂变截面小，要求装料多裂变截面小，要求装料多n富集度高富集度高

10、n 堆越小越高，中国试验快堆堆越小越高，中国试验快堆6565，大型堆大型堆18% 18% n功率密度大功率密度大n 超凤凰超凤凰270270kW/L, PWR100kW/LkW/L, PWR100kW/L，BWRBWR5050kW/LkW/Ln传热问题突出，燃料棒细传热问题突出，燃料棒细（d d6mm6mm）n 发电效率高发电效率高41.3%41.3% n 蒸汽温度蒸汽温度/ /压力压力490 490 C C /18 /18MPaMPa二、钠冷快堆的特点二、钠冷快堆的特点 n战略意义战略意义: :铀资源充分利用铀资源充分利用 PWR + FBR PWR + FBR 匹配发展，实现封闭燃料循环匹

11、配发展，实现封闭燃料循环中国计划：中国计划： - - 先发展先发展PWRPWR，积存工业钚。积存工业钚。 - - 2025 2025年建快堆，年建快堆， - - 2050 2050年年PWRPWRFBR 616GWFBR 616GW 二、钠冷快堆的特点二、钠冷快堆的特点 焚烧长寿命錒系核素，环境保护焚烧长寿命錒系核素，环境保护 - - 处置技术保证数百年，处置技术保证数百年， - - 但核素影响数百万年但核素影响数百万年 - - 錒系核素在快中子轰击下裂变，錒系核素在快中子轰击下裂变， 其裂变产物在堆中在快中子作用下嬗变掉。其裂变产物在堆中在快中子作用下嬗变掉。池式及回路式钠冷快堆池式及回路式

12、钠冷快堆Reactor NameReactor NameCountryCountryLocationLocationCriticalityCriticalityMWthMWthMWeMWeFuelFuelCooling SystemCooling SystemEBR-IEBR-IUSAUSAArco - IdahoArco - Idaho195119511.21.20.20.2U U1 loop1 loopBR5BR5USSRUSSRObninskObninsk195819585.95.9- -PuOPuO2 2/UC/UC2 loops2 loopsDFRDFRUKUKDounreayDou

13、nreay1959195960601414UOUO2 224 loops24 loopsEnrico FermiEnrico FermiUSAUSADetroitDetroit196319633003006161U U3 loops3 loopsEBR-IIEBR-IIUSAUSAArco - IdahoArco - Idaho1963196362.562.52020U UpoolpoolKNK-IIKNK-IIW.GermanyW.GermanyKarlsruheKarlsruhe19771977- -2020PuOPuO2 2- -UOUO2 22 loops2 loopsRapsodie

14、RapsodieFranceFranceCadaracheCadarache196719674040- -PuOPuO2 2- -UOUO2 22 loops2 loopsSEFORSEFORUSAUSAArkansasArkansas196919692020- -PuOPuO2 2- -UOUO2 21 loop1 loopBOR 60BOR 60USSRUSSRMelekessMelekess1969196960601212UOUO2 22 loops2 loopsBN 350BN 350USSRUSSRChevchenkoChevchenko1972197210001000150150P

15、uOPuO2 2- -UOUO2 26 loops6 loopsJoyoJoyoJapanJapanOaraiOarai19771977100100- -PuOPuO2 2- -UOUO2 22 loops2 loopsPhenixPhenixFranceFranceMarcouleMarcoule19731973560560250250PuOPuO2 2- -UOUO2 2poolpoolPFRPFRUKUKDounreayDounreay19741974600600250250PuOPuO2 2- -UOUO2 2poolpoolFFTFFFTFUSAUSAHanfordHanford19

16、801980400400- -PuOPuO2 2- -UOUO2 23 loops3 loopsBN 600BN 600USSRUSSRBeloyarskBeloyarsk1980198014701470600600PuOPuO2 2- -UOUO2 2poolpoolSuperphenixSuperphenixFranceFranceCreys-MalvilleCreys-Malville198519852900290012001200PuOPuO2 2- -UOUO2 2poolpoolSNR 300SNR 300W.GermanyW.GermanyKalkarKalkar-7367363

17、12312PuOPuO2 2- -UOUO2 23 loops3 loopsMONJUMONJUJapanJapanTsurugaTsuruga19941994714714300300PuOPuO2 2- -UOUO2 23 loops3 loops世界快堆一览世界快堆一览三、几个典型钠冷快堆三、几个典型钠冷快堆 PFR （UK）flow sheet4 x 8 MWt1、PFR池式钠冷快堆池式钠冷快堆2、前苏联回路式钠冷快堆、前苏联回路式钠冷快堆 1973 1973建成建成, ,位于马尔库尔核位于马尔库尔核研究中心，是法国研究长寿研究中心，是法国研究长寿命核废物管理的重要设施命核废物管理的重要

18、设施 250MWe.250MWe.3 3回路（回路（3SG 3SG 模块）模块） 运行业绩不错运行业绩不错 对燃料辐照、钚、錒系长放对燃料辐照、钚、錒系长放射性嬗变试验。射性嬗变试验。19991999年开始全面检修年开始全面检修凤凰堆凤凰堆20032003年年6 6月重新启动。月重新启动。3、凤凰堆凤凰堆（PhenixPhenix） 法国法国池式钠冷快堆池式钠冷快堆根据新核安全法规，根据新核安全法规，1999年开始全面检修。主要包括年开始全面检修。主要包括防震设备加固、钠火防护措施、堆芯结构防震设备加固、钠火防护措施、堆芯结构全面检查、全面检查、更更换蒸汽发生器、检测其它相关部件等。换蒸汽发生

19、器、检测其它相关部件等。运行准备：为两个运行准备：为两个二回路装钠二回路装钠，完成了，完成了嬗变实验用堆芯嬗变实验用堆芯的装料、对控制棒重新鉴定试验、检查汽轮发电机和蒸的装料、对控制棒重新鉴定试验、检查汽轮发电机和蒸汽回路等。汽回路等。欧洲唯一能够有效开展长寿命核废物嬗变实验的大型试欧洲唯一能够有效开展长寿命核废物嬗变实验的大型试验装置。法国对长寿命核废物嬗变的科研工作已经进行验装置。法国对长寿命核废物嬗变的科研工作已经进行了了15年，下一步要通过凤凰堆从工业和技术角度开展可年，下一步要通过凤凰堆从工业和技术角度开展可行性研究，如辐照下嬗变装置的性能等。行性研究，如辐照下嬗变装置的性能等。凤凰

20、堆也是凤凰堆也是第四代国际论坛第四代国际论坛计划的重要实验工具。计划的重要实验工具。该计划旨在研究未来有经济竞争力、可使用铀作燃料、该计划旨在研究未来有经济竞争力、可使用铀作燃料、能焚烧核废物的反应堆。能焚烧核废物的反应堆。08年前将完成年前将完成6次辐照周期。次辐照周期。3、凤凰堆凤凰堆（PhenixPhenix） p “超凤凰超凤凰”是世界上功率最大的快中子增殖反应堆核电站，是世界上功率最大的快中子增殖反应堆核电站，p 然而运行以来，技术故障频发，停停修修，总运转时间不过十几个月。然而运行以来，技术故障频发，停停修修，总运转时间不过十几个月。p “超凤凰超凤凰”在设计之初，投资预算为在设计

21、之初，投资预算为6 3 亿法郎，到亿法郎，到1 9 8 6 年投产时，年投产时， 资金已追加到资金已追加到2 5 0 亿法郎，而且比预定投产时间推后了亿法郎，而且比预定投产时间推后了3 年。年。4、超、超凤凰堆凤凰堆（PhenixPhenix） 法国法国池式钠冷快堆池式钠冷快堆 19971997年法国政府宣布将关闭年法国政府宣布将关闭位于法国里昂附近的欧洲位于法国里昂附近的欧洲“超超凤凰凤凰”堆核电站。堆核电站。 “超凤凰超凤凰”堆核电站由法国、堆核电站由法国、德国、比利时和英国联合修建，德国、比利时和英国联合修建，法国电力公司占有一半的股份。法国电力公司占有一半的股份。 1 9 7 6 1

22、9 7 6 年开始动工，年开始动工，1 9 8 1 9 8 6 6年并网发电。年并网发电。 19981998年关闭。年关闭。 p从开始到从开始到97年，投资金额已高达年，投资金额已高达4 1 6 亿法郎，亿法郎，p 无论电站运转与否，每年都要耗掉无论电站运转与否，每年都要耗掉6 5 亿法郎。亿法郎。p“超凤凰超凤凰”核电站从兴建之初到现在，围绕着是否核电站从兴建之初到现在，围绕着是否该该 修建一直争论不休：修建一直争论不休：p支持者认为，快堆利用资源丰富的钚作为燃料，支持者认为，快堆利用资源丰富的钚作为燃料， 为开发和利用新的能源开辟了新领域。为开发和利用新的能源开辟了新领域。p反对者则认为保

23、证安全的技术还不够成熟。反对者则认为保证安全的技术还不够成熟。p 据有关部门预测，这项巨大的关闭工程将耗资据有关部门预测，这项巨大的关闭工程将耗资 1 0 0 亿到亿到1 6 0 亿法郎左右。（实际数据不祥）亿法郎左右。（实际数据不祥）4、超、超凤凰堆凤凰堆（PhenixPhenix） 5、文、文 殊殊 堆堆（MONJU） 日本回路式钠冷快堆日本回路式钠冷快堆 p 19941994年运行，回路式，年运行，回路式，300MWe300MWe。p 自自19951995年发生液钠泄漏事故以来，现仍未恢复运转。年发生液钠泄漏事故以来，现仍未恢复运转。p 日本政府日本政府19971997年年6 6月宣布，

24、要继续推进其开发快堆和核燃料再月宣布，要继续推进其开发快堆和核燃料再循环计划。循环计划。p 20032003年美国、法国、日本表示支持文殊快堆再启动年美国、法国、日本表示支持文殊快堆再启动 。认为：。认为：文殊快堆尤其能为快堆燃料提供辐照试验设施，并积累快堆技文殊快堆尤其能为快堆燃料提供辐照试验设施，并积累快堆技术的开发经验。术的开发经验。p 20072007年由美国、法国和日本组成的核能研究机构发表了一份联年由美国、法国和日本组成的核能研究机构发表了一份联合声明合声明, ,呼吁日本政府重新恢复运行文殊原型快中子堆。呼吁日本政府重新恢复运行文殊原型快中子堆。p 资金问题及居民反对使得恢复运行艰

25、难重重。资金问题及居民反对使得恢复运行艰难重重。5、文、文 殊殊 堆堆（MONJU） The Reactor Core 三种六角形组件三种六角形组件 燃料组件燃料组件, ,增殖组件增殖组件, ,反射层组件：反射层组件： 中心红色为燃料组件中心红色为燃料组件P-239P-239U-238U-238混合物混合物; ; 黄色也为燃料组件，含钚比中心略高。黄色也为燃料组件，含钚比中心略高。 黑色为控制棒组件黑色为控制棒组件. . 兰色为径向增殖组件，只含兰色为径向增殖组件，只含 U-238 U-238，生产钚。生产钚。 边上布置反射层（钢材料，未显示），反射逃逸中边上布置反射层（钢材料，未显示），反射

26、逃逸中子回堆芯。子回堆芯。 六角型钢制组件含六角型钢制组件含169169根钢壳燃根钢壳燃料棒料棒 (d=6.5mm,l (d=6.5mm,l 2.8 m). 2.8 m). 中心为中心为93cm 93cm 燃料区，含燃料区，含U-238 U-238 and Pu-239 and Pu-239 混合物，柱状混合物，柱状. . 中心区上下为轴向增值层，只中心区上下为轴向增值层，只含含 U-238 U-238 ，吸收中子生成吸收中子生成 Pu- Pu-239. 239. 棒的顶部为气体空间。棒的顶部为气体空间。 棒密封防止放射性逸出。棒密封防止放射性逸出。径向增值棒与燃料棒相似，但只径向增值棒与燃料

27、棒相似，但只含含U-238U-238，略粗。略粗。燃料组件燃料组件 文殊快堆文殊快堆一回路钠泵一回路钠泵中间回热器堆中间回热器堆核心设备核心设备设计复杂：设计复杂：1 1、吸收热膨胀、吸收热膨胀2 2、相变、相变3 3、辅助设备多、辅助设备多主循环钠回路主循环钠回路Reactor typeReactor typeFast breeder reactor, Sodium cooled (loop-type)Fast breeder reactor, Sodium cooled (loop-type)OutputOutput714 MWth, 280MWe, 3 loops714 MWth, 28

28、0MWe, 3 loopsFuelFuelPlutonium-Uranium mixed oxidePlutonium-Uranium mixed oxideCore Dimensions:Core Dimensions:. Equivalent diameter, height,Volume. Equivalent diameter, height,Volume180 cm (approx.), 93cm, 2340 liters180 cm (approx.), 93cm, 2340 liters. . . . Plutonium enrichment ( % Pu fiss.) Inne

29、r / OuterPlutonium enrichment ( % Pu fiss.) Inner / Outer16 / 2116 / 21Fuel Mass:Fuel Mass:. Core ( U+Pu metal ), blanket ( U metal ). Core ( U+Pu metal ), blanket ( U metal )5.9 t, 17.5 t5.9 t, 17.5 tAverage burn-upAverage burn-up80 000 MWd/t (approx.), 80 000 MWd/t (approx.), 换料换料6 months (approx.

30、)6 months (approx.)Cladding tube dimensions . doou / thicknessCladding tube dimensions . doou / thickness6.5 mm / 0.47 mm, 6.5 mm / 0.47 mm, 材料：材料：SUS 316SUS 316Power densityPower density275 kW / l275 kW / lBlanket thickness Upper / lower / radialBlanket thickness Upper / lower / radial30 / 35 / 30

31、cm30 / 35 / 30 cmBreeding ratioBreeding ratio1.2 approx.1.2 approx.Primary sodium temp. Reactor inlet / outletPrimary sodium temp. Reactor inlet / outlet397397 / 529 / 529C CSecondary sodium temp. IHX inlet / outletSecondary sodium temp. IHX inlet / outlet325325 / 505 / 505C CReactor vessel dimensio

32、ns. Height / diameterReactor vessel dimensions. Height / diameter18 / 7 m18 / 7 mSteam Pressure Before main stop valveSteam Pressure Before main stop valve127 kg/cm127 kg/cm2 2Refuelling systemRefuelling systemSingle rotating plug with fixed arm fuel handling machineSingle rotating plug with fixed a

33、rm fuel handling machine文殊堆的技术参数文殊堆的技术参数日本快堆发展计日本快堆发展计划划pCEFRCEFR是我国第一座快堆，是我国第一座快堆，65MWt65MWt、20MWe20MWe。池式堆。池式堆p20002000年浇灌第一罐混凝土，年浇灌第一罐混凝土，p20022002年年8 8月月1515日核岛主厂房封日核岛主厂房封顶，顶，p20042004年完成施工设计，年完成施工设计，p目前进入全面安装阶段，调试目前进入全面安装阶段，调试已经开始，运行准备工作正在已经开始，运行准备工作正在进行，进行，p预计预计20082008年年1212月首次临界。月首次临界。6 6、中国实验快堆中国实验快堆 Ch