1、龍龍 斌斌 韓麗萍韓麗萍 張金權張金權 付曉剛付曉剛 秦博秦博蘇喜平蘇喜平 周培德周培德 張東輝張東輝中國原子能科學研究院中國原子能科學研究院國家能源快堆工程技術研發（實驗）中心國家能源快堆工程技術研發（實驗）中心China Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, ChinaChina Institute of Atomic Energy, 102413, Beijing, China創新型核能系統創新型核能系統-GIV -GIV 第四代反應堆第四代反應堆鈉冷快中子反應堆鈉冷快中子反應堆 (SFR)(SFR)鉛冷快中子反應堆鉛冷快中子反應堆 (

2、LFR)(LFR)氣冷快中子反應堆氣冷快中子反應堆 (GFR)超臨界水堆超臨界水堆 (SCWR)超高溫堆超高溫堆 (VHTR)熔鹽金屬反應堆熔鹽金屬反應堆(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 大亞灣電站大亞灣電站 嶺奧電站嶺奧電站 田灣電站田灣電站Generation III先進型堆先進型堆 AP-1000 CAP-1000Generation IV創新型堆創新型堆 CEFR CDFR CCFRl SCWR1985壓水堆電站在中國的成功壓水堆電站在中國的成功p

3、 正在運行的正在運行的: : 4 plants, 11 units, about 8.6GWep 正在建設的正在建設的: : 19 units with 20GWep 計劃在建設的計劃在建設的: : 7 units with 7GWeCurtsy to Mr. Pan Ziqiang前前 言言核電在中國能源供給中的地位核電在中國能源供給中的地位20152015年電能中各種電力供給形式所占的比例年電能中各種電力供給形式所占的比例* 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年電能中各種電力供給形式所占的比例年電能中各種電力供給形式所占的比例為什么要發展快堆為什么要發展快堆? 鈾資源的貧乏鈾資源的貧乏, 不足以支承不足以支承大量大量 NPPs 的運行的運行 PWR: 1% 利用率利用率 (U235豐度豐度:0.71%) SFR: 60-70%利用率利用率(能將能將U238轉化成易裂變轉化成易裂變Pu239) 降低錒系元素和長壽命裂變產物降低錒系元素和長壽命裂變產物(核廢料核廢料)的地質埋填的地質埋填前前 言言中國快堆發展現狀中國快堆發展現狀CDFR 示范快堆示范快堆 電功率電功率: 600- 900MWe

5、 初始設計初始設計: 2007年年 完成完成: 2020年年快堆發展戰略快堆發展戰略中國實驗快堆CEFR順利臨界核電中長期發展規劃(2005-2020年)提出：“及時啟動快堆示范工程”。2006年發布的中國工程院咨詢項目“大型先進壓水堆和先進核能系統工程戰略研究報告”提出：“為了加速我國快堆商用化的進程，不排除在國內、國際條件許可的情況下，由實驗快堆直接向示范快堆過渡”。2007年8月中科院向國務院呈送的二十一世紀上半葉我國能源可持續發展體系戰略研究報告（科發學部字2007243號）建議：將快堆先進核能系統研發與產業化列入國家重大專項。CCFR 商用快堆商用快堆 電功率電功率: 1000- 1

6、500MWe 初始設計初始設計: 2020年年 完成完成: 2030-2032年年To be filledCEFR 電功率電功率: 20MWe 初始設計初始設計:1990 完成完成: 2010年年CFR1000 示范快堆示范快堆 電功率電功率: 1000MWe 初始設計初始設計: 2010年年 完成完成: 2022年年CEFR 大事記大事記2000.05澆灌第一罐混凝土澆灌第一罐混凝土2002.08核島廠房封頂核島廠房封頂2005.08 堆本體安裝開始堆本體安裝開始2007.06 完成堆內構件安裝完成堆內構件安裝2008.03旋塞安裝就位旋塞安裝就位中國快堆發展現狀中國快堆發展現狀* 引自張東

7、輝博士引自張東輝博士中國實驗快堆進展及熱工流體綜述中國實驗快堆進展及熱工流體綜述2006.06主容器檢驗試驗完成主容器檢驗試驗完成2002.08Celebration for sealing-top of the reactor building2010.07.21 reach to critical中國實驗快堆中國實驗快堆CEFR CEFR 主要設計參數主要設計參數l 泳池式反應堆泳池式反應堆l 336.6336.6噸核級鈉噸核級鈉l 熱功率熱功率: : 65MWl 電功率電功率: : 20MWl 反應堆壽命反應堆壽命: : 30年年二回路二回路三回路三回路堆本體堆本體l高度高度: 45.0

8、cml直徑直徑: 60.0cm l燃料燃料/ /首爐燃料首爐燃料: (Pu,U)O2/UO2lPu（總量）（總量）: 150.3kglPu-239: 97.7kglU-235(enrichment): 42.6kg (19.6%)/236.7kg (64.4%)l最大線功率最大線功率: 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目標燃耗目標燃耗: 100,000MWd/tl堆芯入口鈉溫堆芯入口鈉溫: 360oC l堆芯出口鈉溫堆芯出口鈉溫: 530oC l主容器尺寸主容器尺寸(O): 8.

9、010m中國實驗快堆主要參數中國實驗快堆主要參數 CEFR CEFR 主要設計參數主要設計參數l 堆芯組件材料堆芯組件材料l 結構材料結構材料 中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料控制棒組件控制棒組件 8 8不銹鋼屏蔽組件不銹鋼屏蔽組件: :332332 中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料CEFR 堆芯燃料組件及控制棒組件材料堆芯燃料組件及控制棒組件材料燃料組件燃料組件感謝上海第一機床廠提供照片感謝上海第一機床廠提供照片CEFR 堆芯布置堆芯布置l 堆芯組件材料堆芯組件材料 燃料燃料: - 氧化物燃料氧化物燃料 (MOX) - 金屬燃料金屬燃料 (U-Pu-Zr) 燃料組件燃料組件

10、- 包殼包殼: ChS-68 - 外套管外套管: -450 (all Russian steels)中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料CEFR 堆芯燃料組件及堆芯燃料組件及控制棒組件材料控制棒組件材料13上端塞上端塞壓緊彈簧壓緊彈簧上軸向上軸向轉換區轉換區下軸向下軸向轉換區轉換區金屬繞絲金屬繞絲燃料區燃料區下端塞下端塞包殼包殼操作頭操作頭外套管外套管堆芯支撐堆芯支撐鈉入口鈉入口燃料組件燃料組件材材 料料溫溫 度度（o oC C）中子通量中子通量（n/cmn/cm2 2s s）包包 殼殼外套管外套管燃料組件燃料組件C-68C-68-450-450360-560360-5606.6x106.

11、6x101515控制棒組件控制棒組件安全棒安全棒C-68C-6808X16H11M308X16H11M3360-550360-5503.2x103.2x101515 調節棒調節棒C-68C-6808X16H11M308X16H11M3360-548360-5483.2x103.2x101515補償棒補償棒C-68C-6808X16H11M308X16H11M3360-554360-5543.2x103.2x101515中子源組件中子源組件C-68C-6808X16H11M308X16H11M3360-530360-5303.2x103.2x101515不銹鋼屏蔽組件不銹鋼屏蔽組件316Ti31

12、6Ti316Ti316Ti600 600 （maxmax） 3.2x103.2x101515硼屏蔽組件硼屏蔽組件316Ti316Ti316Ti316Ti550 (max)550 (max)3.8x103.8x101515中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料 CEFR 堆芯燃料組件及控制棒組件材料堆芯燃料組件及控制棒組件材料中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內主要部件堆容器及堆內主要部件l 堆內部件材料大部分堆內部件材料大部分采用進口材料（瑞典采用進口材料（瑞典和俄羅斯產）和俄羅斯產）l 部分材料使用國產不部分材料使用國產不銹鋼銹鋼中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料堆容

13、器及堆內主要部件堆容器及堆內主要部件l 材料：瑞典進口奧氏體鋼材料：瑞典進口奧氏體鋼316SSl 功能：堆芯、堆內部件及高溫功能：堆芯、堆內部件及高溫液態鈉的容器液態鈉的容器l 尺寸：內徑為尺寸：內徑為7960mm7960mm，壁厚，壁厚 50mm/25mm50mm/25mm（最大（最大/ /最小）最小）l 重量：重量：105105噸噸l 環境：鈉溫環境：鈉溫420420o oC C 壽期最大中子注量壽期最大中子注量 1x101x101818n/cmn/cm2 2主容器主容器感謝中國一重提供照片感謝中國一重提供照片中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內主要部件堆容器及堆內主要部件

14、l 材料：俄羅斯產材料：俄羅斯產 08X16H11M3 （相當于（相當于316不銹鋼）不銹鋼）l 重量：重量：6565噸噸l 環境：鈉溫環境：鈉溫400400o oC C 壽期最大中子注量壽期最大中子注量 1x101x101818n/cmn/cm2 2堆內支承堆內支承中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內主要部件堆容器及堆內主要部件l 材料：瑞典產材料：瑞典產 304SSl 功能：堆芯組件的支功能：堆芯組件的支 承固定裝置承固定裝置l 重量：約重量：約7.47.4噸噸l 環境：鈉溫環境：鈉溫360360o oC C 壽期最大中子注量壽期最大中子注量 4.4x104.4x10202

15、0n/cmn/cm2 2柵板聯箱柵板聯箱中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料 堆容器及堆內主要部件堆容器及堆內主要部件l 材料：俄羅斯產材料：俄羅斯產 08X16H11M3l 功能：保持堆芯組件功能：保持堆芯組件 結構完整性結構完整性l 重量：約重量：約6 6噸噸l 環境：鈉溫環境：鈉溫360-530360-530o oC C 壽期最大中子注量壽期最大中子注量 4x104x102323n/cmn/cm2 2堆芯圍桶堆芯圍桶中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內主要部件堆容器及堆內主要部件l 材料：俄羅斯產材料：俄羅斯產 08X16H11M3l 功能：將高溫液態鈉功能：將高溫液

16、態鈉 導入堆芯和中導入堆芯和中 間熱交換器間熱交換器l 環境：鈉溫環境：鈉溫360360o oC C 壽期最大中子注量壽期最大中子注量 1x101x101818n/cmn/cm2 2壓力管部件壓力管部件中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料堆容器及堆內主要部件堆容器及堆內主要部件l 材料：俄羅斯產材料：俄羅斯產 08X16H11M3l 功能：鈉泵的支承結構功能：鈉泵的支承結構l 環境：鈉溫環境：鈉溫400400o oC C 壽期最大中子注量壽期最大中子注量 1x101x101818n/cmn/cm2 2泵支承泵支承中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料 堆容器及堆內主要部件堆容器及堆內主要

17、部件l 材料：管材及殼體材料：管材及殼體 俄羅斯產俄羅斯產 08X16H11M3 支承：國產支承：國產304SSl 環境：鈉溫環境：鈉溫516-310516-310o oC C 壽期最大中子注量壽期最大中子注量 1x101x101818n/cmn/cm2 2中間熱交換器中間熱交換器中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料蒸汽發生器蒸汽發生器l 材料：俄羅斯產材料：俄羅斯產 10X2Ml 功能：高溫鈉功能：高溫鈉 三回路三回路水水 水蒸汽水蒸汽 透平機透平機 l 環境：鈉側環境：鈉側495495o oC C 水側水側370370o oC C， 壓力：壓力：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不銹鋼不銹鋼參數參數l 管徑管徑: 325x12mm, 219x10mml Temp. of Na in hot-leg: 495oCl Temp. of Na in cold-leg: 310oC l 流量流量: 274 kg/s中國實驗快堆主要材料中國實驗快堆主要材料 316-Ti S.S.attacked by fission products at high oxygen content試驗參數試驗參數: :l 材料材料: 316-Ti S.S. 20% c.w.l 試驗溫度試驗溫度: 700oCl 試驗時間試驗時間: 120hl Oxygen b

19、uffer: Cr/Cr2O3 & Ni/NiOl Cs, Te and Se mixture: 模擬裂模擬裂變產物變產物燃料燃料- -包殼化學相互作用包殼化學相互作用 (FCCI)堆外模擬實驗堆外模擬實驗Xu Yongli, Long Bin et al, IAEA-TECDOC-1039, p119-128鈉冷快堆結構材料使用性能研究鈉冷快堆結構材料使用性能研究 材料與高溫鈉的相容性材料與高溫鈉的相容性vent pipeSodium in靜態試驗靜態試驗裝置參數裝置參數:l 最高溫度最高溫度: 800oCl 覆蓋氣體覆蓋氣體: Argonl 鈉中氧含量鈉中氧含量: 10ppml 鈉

20、中碳含量鈉中碳含量: 10ppm惰性氣體循環手套箱惰性氣體循環手套箱靜態試驗釜靜態試驗釜鈉冷快堆結構材料使用性能研究鈉冷快堆結構材料使用性能研究 裝置參數裝置參數:l 試驗段最高溫度試驗段最高溫度: 550oCl 冷、熱段最大溫差冷、熱段最大溫差: 100oCl 流速流速: 4-5 cm/sl 鈉中氧含量鈉中氧含量: 25ppm(min.)高溫鈉熱對流回路高溫鈉熱對流回路準動態試驗準動態試驗材料與高溫鈉的相容性材料與高溫鈉的相容性鈉冷快堆結構材料使用性能研究鈉冷快堆結構材料使用性能研究 質量遷移效應質量遷移效應裝置參數裝置參數:l 總電功率總電功率: 85kW l 總容積總容積: 0.125m

21、3l 高溫試驗段溫度高溫試驗段溫度: 550-600oCl 低溫試驗段溫度低溫試驗段溫度: 350-400oCl 最大溫差最大溫差: 250oC高溫鈉質量遷移試驗回路高溫鈉質量遷移試驗回路hot legcold legpurification by-passl 主回路流量主回路流量: 1.2m3/hl 凈化旁路流量凈化旁路流量: 0.22-0.125m3/hl 系統壓力系統壓力: 0.03-0.06MPal 鈉中氧含量鈉中氧含量: 10-20ppm材料與高溫鈉的相容性材料與高溫鈉的相容性鈉冷快堆結構材料使用性能研究鈉冷快堆結構材料使用性能研究 應力下的腐蝕應力下的腐蝕Corrosion tes

22、t under stress參數參數:l 試驗段溫度試驗段溫度: 550-600oCl 最大加載力最大加載力: 200MPal 鈉中氧含量鈉中氧含量: 50-100ppm材料與高溫鈉的相容性材料與高溫鈉的相容性鈉冷快堆結構材料使用性能研究鈉冷快堆結構材料使用性能研究 蠕變蠕變雙軸蠕變試驗裝置雙軸蠕變試驗裝置 裝置參數裝置參數:l 試驗段溫度試驗段溫度: 550oCl 最大載荷最大載荷: 200MPal 鈉中氧含量鈉中氧含量: 10-20ppm單軸蠕變單軸蠕變裝置參數裝置參數:l 試驗段溫度試驗段溫度: 200-800oCl 最大載荷最大載荷: 50kNl 鈉中氧含量鈉中氧含量: 10-20pp

23、m材料與高溫鈉的相容性材料與高溫鈉的相容性鈉冷快堆結構材料使用性能研究鈉冷快堆結構材料使用性能研究 裝置參數裝置參數:l 試驗段溫度試驗段溫度: 360oCl 壓力壓力: 20MPal 容積容積: 5L裝置參數裝置參數:l 試驗段溫度試驗段溫度: 360oCl 壓力壓力: 20MPa l 流量流量: 10t/h高溫高壓動水腐蝕試驗回路高溫高壓動水腐蝕試驗回路高壓釜高壓釜 材料與高溫高壓水的相容性材料與高溫高壓水的相容性鈉冷快堆結構材料使用性能研究鈉冷快堆結構材料使用性能研究 中國實驗快堆中國實驗快堆 - - CEFRCEFR CEFR l 一般區域一般區域: 1.5x1015n/cm2.s 1

24、4 dpa/100fpedl 中心區域中心區域: 3.1x1015n/cm2.s 28 dpa/100fped鈉冷快堆結構材料輻照性能研究鈉冷快堆結構材料輻照性能研究 l 一般孔道一般孔道: : 2.6 dpa/yearl 中心孔道中心孔道: : 25 dpa/year中國先進研究堆中國先進研究堆 - CARR鈉冷快堆結構材料輻照性能研究鈉冷快堆結構材料輻照性能研究 492 492 泳池式反應堆泳池式反應堆 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反應堆控制間鈉冷快堆結構材料輻照性能研究鈉冷快堆結構材料輻照性能研究 輻照后檢驗輻照后檢驗熱室熱室 高放射性部件的分割解體、樣品分裝高放射性部件的分割解體、樣品分裝; ; 部件及材料的外觀檢查、性能測試及部件及材料的外觀檢查、性能測試及微觀結構分析微觀結構分析Fracture surface of F82H, 19dpa/360oCBF image shows the helium bubble of T91 after irradiated to 13.5dpa in spalltion source鈉冷快堆結構材料輻照性能研

26、究鈉冷快堆結構材料輻照性能研究 熱室內的機械性能測試熱室內的機械性能測試 拉伸、拉伸、 疲勞以及斷裂韌性疲勞以及斷裂韌性; 溫度溫度: -100 to 400oC 載荷載荷 : 0 to 100kN鈉冷快堆結構材料輻照性能研究鈉冷快堆結構材料輻照性能研究 輻照后檢驗輻照后檢驗小樣品拉伸、沖壓及斷裂韌性測試試驗小樣品拉伸、沖壓及斷裂韌性測試試驗：溫度溫度: -17025oC載荷載荷: 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鈉冷快堆結構材料輻照性能研究鈉冷快堆結構材料輻照性能研究 輻照后檢驗輻照后檢驗半熱室中的萬能試驗機半熱室中的萬能試驗機：溫度溫度: -100300oC載荷載荷: 050kNKIC(med)KIC(0.95)KIC(0.05)Test temperature oC鈉冷快堆結構材料輻照性能研究鈉冷快堆結構材料輻照性能研究 輻照后檢驗輻照后

28、檢驗194536.13tanh22TEEEEUlplp194536.13tanh22TEEEEUlplp194536.13tanh22TEEEEUlplpTransTemp program半熱室中的擺錘沖擊試驗機半熱室中的擺錘沖擊試驗機：溫度溫度: -130200oC沖擊時間沖擊時間: 3s (5s)對中精度對中精度: 0.14 mm (0.25)Test temperature oCAbsorption Energy J鈉冷快堆結構材料輻照性能研究鈉冷快堆結構材料輻照性能研究 輻照后檢驗輻照后檢驗CFR-1000的主要參數的主要參數ParametersDataParametersData熱功率熱功率2