钠冷快堆中的结构材料全解

1、核电材料应用技术国际研讨会三亚, 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（试验）中心China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China钠冷快堆中结构材料钠冷快堆中的结构材料全解第1页创新型核能系统-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 言钠冷快堆中的结构材料全解第2页前 言Generation I原型堆 秦山I期

2、Generation II商用堆 秦山II期 秦山III期 大亚湾电站 岭奥电站 田湾电站Generation III先进型堆 AP-1000 CAP-1000Generation IV创新型堆 CEFR CDFR CCFR SCWR1985钠冷快堆中的结构材料全解第3页压水堆电站在中国成功正在运行: 4 plants, 11 units, about 8.6GWe正在建设: 19 units with 20GWe计划在建设: 7 units with 7GWeCurtsy to Mr. Pan Ziqiang前 言钠冷快堆中的结构材料全解第4页核电在中国能源供给中地位电能中各种电力供给形式所

3、占百分比* JIANG Ze-min, Reflection on energy issues in China, CHINA NUCLEAR POWER, Vol.1, No.2, p.98-113, 前 言电能中各种电力供给形式所占百分比钠冷快堆中的结构材料全解第5页为何要发展快堆? 铀资源贫乏, 不足以支承大量 NPPs 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)地质埋填前 言钠冷快堆中的结构材料全解第6页中国快堆发展现实状况CDFR 示范快堆 电功率: 600-

4、900MWe 初始设计: 完成: 年快堆发展战略中国试验快堆CEFR顺利临界核电中长久发展规划(2005-年)提出：“及时开启快堆示范工程”。公布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汇报”提出：“为了加速我国快堆商用化进程，不排除在国内、国际条件许可情况下，由试验快堆直接向示范快堆过渡”。208月中科院向国务院呈送二十一世纪上半叶我国能源可连续发展体系战略研究汇报（科发学部字2007243号）提议：将快堆先进核能系统研发与产业化列入国家重大专题。CCFR 商用快堆 电功率: 1000- 1500MWe 初始设计: 完成: 2030-2032年To be filledCE

5、FR 电功率: 20MWe 初始设计:1990 完成: CFR1000 示范快堆 电功率: 1000MWe 初始设计: 完成: 2022年钠冷快堆中的结构材料全解第7页CEFR 大事记.05浇灌第一罐混凝土.08核岛厂房封顶.08 堆本体安装开始.06 完成堆内构件安装.03旋塞安装就位中国快堆发展现实状况* 引自张东辉博士中国试验快堆进展及热工流体综述.06主容器检验试验完成.08Celebration for sealing-top of the reactor building.07.21 reach to critical钠冷快堆中的结构材料全解第8页中国试验快堆CEFR 主要设计参数

6、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年二回路三回路钠冷快堆中的结构材料全解第9页堆本体高度: 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: 3.7x1015 n/cm2.s (max.) 平均中子通量: 1.76x1015 n/cm2.s目标燃耗: 100,000MWd/t堆芯入口钠温: 360oC 堆芯出口钠温: 530o

7、C 主容器尺寸(O): 8.010m中国试验快堆主要参数 CEFR 主要设计参数钠冷快堆中的结构材料全解第10页堆芯组件材料结构材料 中国试验快堆主要材料钠冷快堆中的结构材料全解第11页控制棒组件 8不锈钢屏蔽组件:332 中国试验快堆主要材料CEFR 堆芯燃料组件及控制棒组件材料燃料组件感激上海第一机床厂提供照片CEFR 堆芯布置钠冷快堆中的结构材料全解第12页堆芯组件材料 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: -450 (all Russian steels)中国试验快堆主要材料CEFR 堆芯燃料组件及控制棒

8、组件材料13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钠冷快堆中的结构材料全解第13页材 料温 度（oC）中子通量（n/cm2s）包 壳外套管燃料组件C-68-450360-5606.6x1015控制棒组件安全棒C-6808X16H11M3360-5503.2x1015 调整棒C-6808X16H11M3360-5483.2x1015赔偿棒C-6808X16H11M3360-5543.2x1015中子源组件C-6808X16H11M3360-5303.2x1015不锈钢屏蔽组件316Ti316Ti600 （max）3.2x1015硼屏蔽组件

9、316Ti316Ti550 (max)3.8x1015中国试验快堆主要材料 CEFR 堆芯燃料组件及控制棒组件材料钠冷快堆中的结构材料全解第14页中国试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取进口材料（瑞典和俄罗斯产）部分材料使用国产不锈钢钠冷快堆中的结构材料全解第15页中国试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功效：堆芯、堆内部件及高温液态钠容器尺寸：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主容器感激中国一重提供照片钠冷快堆中的结构材料全解第16页中国试

10、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堆内支承钠冷快堆中的结构材料全解第17页中国试验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件材料：瑞典产 304SS功效：堆芯组件支 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栅板联箱钠冷快堆中的结构材料全解第18页中国试验快堆主要材料 堆容器及堆内主要部件材料：俄罗斯产 08X16H11M3功效：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 4x102

11、3n/cm2堆芯围桶钠冷快堆中的结构材料全解第19页中国试验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件材料：俄罗斯产 08X16H11M3功效：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压力管部件钠冷快堆中的结构材料全解第20页中国试验快堆主要材料堆容器及堆内主要部件材料：俄罗斯产 08X16H11M3功效：钠泵支承结构环境：钠温400oC 寿期最大中子注量 1x1018n/cm2泵支承钠冷快堆中的结构材料全解第21页中国试验快堆主要材料 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-

12、310oC 寿期最大中子注量 1x1018n/cm2中间热交换器钠冷快堆中的结构材料全解第22页中国试验快堆主要材料蒸汽发生器材料：俄罗斯产 10X2M功效：高温钠 三回路水 水蒸汽 透平机 环境：钠侧495oC 水侧370oC， 压力：14MPa 钠冷快堆中的结构材料全解第23页二回路管道材料管道材材料：304不锈钢参数管径: 325x12mm, 219x10mmTemp. of Na in hot-leg: 495oCTemp. of Na in cold-leg: 310oC 流量: 274 kg/s中国试验快堆主要材料 钠冷快堆中的结构材料全解第24页316-Ti S.S.attack

13、ed by fission products at high oxygen content试验参数:材料: 316-Ti S.S. 20% c.w.试验温度: 700oC试验时间: 120hOxygen buffer: Cr/Cr2O3 & Ni/NiOCs, Te and Se mixture: 模拟裂变产物燃料-包壳化学相互作用 (FCCI)堆外模拟试验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 钠冷快堆中的结构材料全解第25页材料与高温钠相容性vent pipeSodium in静态试验装置参数:

14、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 钠冷快堆中的结构材料全解第26页装置参数:试验段最高温度: 550oC冷、热段最大温差: 100oC流速: 4-5 cm/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相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究 钠冷快堆中的结构材料全解第27页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

15、hot legcold legpurification by-pass主回路流量: 1.2m3/h净化旁路流量: 0.22-0.125m3/h系统压力: 0.03-0.06MPa钠中氧含量: 10-20ppm材料与高温钠相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究 钠冷快堆中的结构材料全解第28页应力下腐蚀Corrosion test under stress参数:试验段温度: 550-600oC最大加载力: 200MPa钠中氧含量: 50-100ppm材料与高温钠相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究 钠冷快堆中的结构材料全解第29页蠕变双轴蠕变试验装置 装置参数:试验段温度: 550oC最大载荷: 20

16、0MPa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材料与高温钠相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究 钠冷快堆中的结构材料全解第30页装置参数: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 材料与高温高压水相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究 钠冷快堆中的结构材料全解第31页中国试验快堆 - CEFRCEFR CEFR 普通区域: 1.5x1015n/cm2.s 14 dpa/100fped中心区域:

17、3.1x1015n/cm2.s 28 dpa/100fped钠冷快堆结构材料辐照性能研究 钠冷快堆中的结构材料全解第32页普通孔道: 2.6 dpa/year中心孔道: 25 dpa/year中国先进研究堆 - CARR钠冷快堆结构材料辐照性能研究 钠冷快堆中的结构材料全解第33页492 泳池式反应堆 垂直孔道: -中心孔道: 70 中子通量: 3x1013n/cm2.s -普通孔道: 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 钠冷快堆中的结构材料全解第34页辐照后检验热室高放射性部件分割解

18、体、样品分装;部件及材料外观检验、性能测试及微观结构分析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究 钠冷快堆中的结构材料全解第35页热室内机械性能测试拉伸、 疲劳以及断裂韧性;温度: -100 to 400oC载荷 : 0 to 100kN钠冷快堆结构材料辐照性能研究 辐照后检验钠冷快堆中的结构材料全解第36页小样品拉伸、冲压及断裂韧性测试试验：温度: -1702

19、5oC载荷: 010kNspecimenspressure head钠冷快堆结构材料辐照性能研究 辐照后检验钠冷快堆中的结构材料全解第37页半热室中万能试验机：温度: -100300oC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 辐照后检验钠冷快堆中的结构材料全解第38页TransTemp program半热室中摆锤冲击试验机：温度: -130200oC冲击时间: 3s (5s)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 辐照后检验钠冷快堆中的结构材料全解第39页CFR-1000主要参数ParametersDataParametersData热功率2500 MW最大燃耗 100 MWd/Kg电功率1000 MW增值比1.2