钠冷快堆中的结构材料

核电材料应用技术国际研讨会三亚,2011年2月21日-25日

龙斌韩丽萍张金权付晓刚秦博苏喜平周培德张东辉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ChinaInstituteofAtomicEnergy,102413,Beijing,China钠冷快堆中的结构材料当前第1页\共有43页\编于星期二\15点创新型核能系统-GIV第四代反应堆钠冷快中子反应堆(SFR)铅冷快中子反应堆(LFR)气冷快中子反应堆

(GFR)超临界水堆

(SCWR)超高温堆

(VHTR)熔盐金属反应堆(MSR)前言当前第2页\共有43页\编于星期二\15点前言GenerationI原型堆

秦山I期GenerationII商用堆

秦山II期秦山III期大亚湾电站岭奥电站田湾电站GenerationIII先进型堆

AP-1000CAP-1000GenerationIV创新型堆CEFRCDFRCCFRSCWR1985当前第3页\共有43页\编于星期二\15点压水堆电站在中国的成功正在运行的:4plants,11units,about8.6GWe正在建设的:19unitswith～20GWe计划在建设的:7unitswith～7GWeCurtsytoMr.PanZiqiang前言当前第4页\共有43页\编于星期二\15点核电在中国能源供给中的地位2015年电能中各种电力供给形式所占的比例*JIANGZe-min,ReflectiononenergyissuesinChina,CHINANUCLEARPOWER,Vol.1,No.2,p.98-113,2008前言2007年电能中各种电力供给形式所占的比例当前第5页\共有43页\编于星期二\15点为什么要发展快堆?

铀资源的贫乏,不足以支承大量NPPs的运行PWR:1%利用率(U235丰度:0.71%)SFR:60-70%利用率(能将U238转化成易裂变Pu239)

降低錒系元素和长寿命裂变产物(核废料)的地质埋填前言当前第6页\共有43页\编于星期二\15点中国快堆发展现状CDFR示范快堆

电功率:600-900MWe

初始设计:2007年

完成:2020年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［2007］243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

电功率:1000-1500MWe

初始设计:2020年

完成:2030-2032年TobefilledCEFR

电功率:20MWe

初始设计:1990

完成:2010年CFR1000示范快堆

电功率:1000MWe

初始设计:2010年

完成:2022年当前第7页\共有43页\编于星期二\15点CEFR大事记2000.05浇灌第一罐混凝土2002.08核岛厂房封顶2005.08

堆本体安装开始2007.06

完成堆内构件安装2008.03旋塞安装就位中国快堆发展现状*引自张东辉博士《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2002.08Celebrationforsealing-topofthereactorbuilding2010.07.21reachtocritical当前第8页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆CEFR主要设计参数泳池式反应堆336.6吨核级钠热功率:65MW电功率:20MW反应堆寿命:

30年二回路三回路当前第9页\共有43页\编于星期二\15点堆本体高度:45.0cm直径:60.0cm燃料/首炉燃料:(Pu,U)O2/UO2Pu（总量）:150.3kgPu-239:97.7kgU-235(enrichment):42.6kg(19.6%)/236.7kg(64.4%)最大线功率:430w/cm中子通量:3.7x1015n/cm2.s(max.)

平均中子通量:1.76x1015n/cm2.s目标燃耗:100,000MWd/t堆芯入口钠温:360oC

堆芯出口钠温:530oC

主容器尺寸(O):8.010m中国实验快堆主要参数

CEFR主要设计参数当前第10页\共有43页\编于星期二\15点堆芯组件材料结构材料

中国实验快堆主要材料当前第11页\共有43页\编于星期二\15点控制棒组件

8不锈钢屏蔽组件:332

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燃料组件感谢上海第一机床厂提供照片CEFR堆芯布置当前第12页\共有43页\编于星期二\15点堆芯组件材料燃料:-氧化物燃料(MOX)-金属燃料(U-Pu-Zr)

燃料组件

-包壳:ChS-68-外套管:эп-450(allRussiansteels)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上端塞压紧弹簧上轴向转换区下轴向转换区金属绕丝燃料区下端塞包壳操作头外套管堆芯支撑钠入口燃料组件13当前第13页\共有43页\编于星期二\15点材料温度（oC）中子通量（n/cm2s）包壳外套管燃料组件ЧC-68эп-450360-5606.6x1015控制棒组件安全棒ЧC-6808X16H11M3360-550≤3.2x1015

调节棒ЧC-6808X16H11M3360-548≤3.2x1015补偿棒ЧC-6808X16H11M3360-554≤3.2x1015中子源组件ЧC-6808X16H11M3360-5303.2x1015不锈钢屏蔽组件316Ti316Ti600（max）3.2x1015硼屏蔽组件316Ti316Ti550(max)3.8x1015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当前第14页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件堆内部件材料大部分采用进口材料（瑞典和俄罗斯产）部分材料使用国产不锈钢当前第15页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件材料：瑞典进口奥氏体钢316SS功能：堆芯、堆内部件及高温液态钠的容器尺寸：内径为7960mm，壁厚

50mm/25mm（最大/最小）重量：105吨环境：钠温420oC

寿期最大中子注量≤1x1018n/cm2主容器感谢中国一重提供照片当前第16页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件材料：俄罗斯产

08X16H11M3

（相当于316不锈钢）重量：65吨环境：钠温400oC

寿期最大中子注量≤1x1018n/cm2堆内支承当前第17页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件材料：瑞典产304SS功能：堆芯组件的支承固定装置重量：约7.4吨环境：钠温360oC

寿期最大中子注量≤4.4x1020n/cm2栅板联箱当前第18页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆主要材料

堆容器及堆内主要部件材料：俄罗斯产

08X16H11M3功能：保持堆芯组件结构完整性重量：约6吨环境：钠温360-530oC

寿期最大中子注量≤4x1023n/cm2堆芯围桶当前第19页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件材料：俄罗斯产

08X16H11M3功能：将高温液态钠导入堆芯和中间热交换器环境：钠温360oC

寿期最大中子注量

1x1018n/cm2压力管部件当前第20页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件材料：俄罗斯产

08X16H11M3功能：钠泵的支承结构环境：钠温400oC

寿期最大中子注量≤1x1018n/cm2泵支承当前第21页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆主要材料

堆容器及堆内主要部件材料：管材及壳体俄罗斯产

08X16H11M3

支承：国产304SS环境：钠温516-310oC

寿期最大中子注量≤1x1018n/cm2中间热交换器当前第22页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆主要材料蒸汽发生器材料：俄罗斯产

10X2M功能：高温钠三回路水水蒸汽透平机环境：钠侧495oC

水侧370oC，

压力：14MPa

当前第23页\共有43页\编于星期二\15点二回路管道材料管道材材料：304不锈钢参数管径:

325x12mm,

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

流量:274kg/s中国实验快堆主要材料

当前第24页\共有43页\编于星期二\15点316-TiS.S.attackedbyfissionproductsathighoxygencontent试验参数:材料:316-TiS.S.20%c.w.试验温度:700oC试验时间:120hOxygenbuffer:Cr/Cr2O3&Ni/NiOCs,TeandSemixture:模拟裂变产物燃料-包壳化学相互作用(FCCI)堆外模拟实验XuYongli,LongBinetal,IAEA-TECDOC-1039,p119-128钠冷快堆结构材料使用性能研究

当前第25页\共有43页\编于星期二\15点材料与高温钠的相容性ventpipeSodiumin静态试验装置参数:最高温度:800oC覆盖气体:Argon钠中氧含量:10ppm钠中碳含量:10ppm惰性气体循环手套箱静态试验釜钠冷快堆结构材料使用性能研究

当前第26页\共有43页\编于星期二\15点装置参数:试验段最高温度:550oC冷、热段最大温差:100oC流速:4-5cm/s钠中氧含量:≤25ppm(min.)高温钠热对流回路准动态试验材料与高温钠的相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究

当前第27页\共有43页\编于星期二\15点质量迁移效应装置参数:总电功率:～

85kW总容积:～

0.125m3高温试验段温度:550-600oC低温试验段温度:350-400oC最大温差:250oC高温钠质量迁移试验回路hotlegcoldlegpurificationby-pass主回路流量:1.2m3/h净化旁路流量3/h系统压力钠中氧含量:10-20ppm材料与高温钠的相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究

当前第28页\共有43页\编于星期二\15点应力下的腐蚀Corrosiontestunderstress参数:试验段温度:550-600oC最大加载力:200MPa钠中氧含量:50-100ppm材料与高温钠的相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究

当前第29页\共有43页\编于星期二\15点蠕变双轴蠕变试验装置

装置参数:试验段温度:550oC最大载荷:200MPa钠中氧含量:10-20ppm单轴蠕变装置参数:试验段温度:200-800oC最大载荷:50kN钠中氧含量:10-20ppm材料与高温钠的相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究

当前第30页\共有43页\编于星期二\15点装置参数:试验段温度:360oC压力:20MPa容积:5L装置参数:试验段温度:360oC压力:20MPa

流量:10t/h高温高压动水腐蚀试验回路高压釜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

当前第31页\共有43页\编于星期二\15点中国实验快堆-CEFRCEFRCEFR一般区域:1.5x1015n/cm2.s

≈14dpa/100fped中心区域:3.1x1015n/cm2.s≈28dpa/100fped钠冷快堆结构材料辐照性能研究

当前第32页\共有43页\编于星期二\15点一般孔道:2.6dpa/year中心孔道:25dpa/year中国先进研究堆-CARR钠冷快堆结构材料辐照性能研究

当前第33页\共有43页\编于星期二\15点492泳池式反应堆

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反应堆控制间钠冷快堆结构材料辐照性能研究

当前第34页\共有43页\编于星期二\15点辐照后检验热室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、性能测试及微观结构分析FracturesurfaceofF82H,19dpa/360oCBFimageshowstheheliumbubbleofT91afterirradiatedto13.5dpainspalltionsource钠冷快堆结构材料辐照性能研究

当前第35页\共有43页\编于星期二\15点热室内的机械性能测试拉伸、疲劳以及断裂韧性;温度:-100to400oC载荷

:0to100kN钠冷快堆结构材料辐照性能研究

辐照后检验当前第36页\共有43页\编于星期二\15点小样品拉伸、冲压及断裂韧性测试试验：温度:-170～25oC载荷:0～10kNspecimenspressurehead钠冷快堆结构材料辐照性能研究

辐照后检验当前第37页\共有43页\编于星期二\15点半热室中的万能试验机：温度:-100～300oC载荷:0～50kNKIC(med)KIC(0.95)KIC(0.05)TesttemperatureoC钠冷快堆结构材料辐照性能研究

辐照后检验当前第38页\共有43页\编于星期二\15点TransTempprogram半热室中的摆锤冲击试验机：温度:-130～200oC冲击时间:≤3s(5s)对中精度:±0.14mm(0.25)TesttemperatureoCAbsorptionEnergyJ钠冷快堆结构材料辐照性能研究

辐照后检验当前第39页\共有43页\编于星期二\15点CFR-1000的主要参数ParametersDataParametersData热功率2500MW最大燃耗1