钠冷快堆中的结构材料全解

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-1000CAP-1000GenerationIV创新型堆CEFRCDFRCCFRSCWR1985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年二回路堆本体高度:45.0cm直径:60.0cm燃料/首炉燃料:(Pu,U)O2/UO2Pu（总量）:150.3kgPu-239:97.7kgU-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堆芯组件材料结构材料中国实验快堆主要材料控制棒组件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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二回路管道材料管道材材料：304不锈钢参数管径:325x12mm,219x10mmTemp.ofNainhot-leg:495oCTemp.ofNaincold-leg:310oC流量:274kg/s中国实验快堆主要材料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:120hOxygenbuffer:Cr/Cr2O3&Ni/NiOCs,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:0.22-0.125m3/h系统压力:0.03-0.06MPa钠中氧含量:10-20ppm材料与高温钠的相容性钠冷快堆结构材料使用性能研究应力下的腐蚀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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小样品拉伸、冲压及断裂韧性测试试验：温度:-170～25oC载荷:0～10kN0.00.20.40.60.81.01.21.401000200030004000500060007000800020℃0.278mm-50℃0.3mm-60℃0.272mm-70℃0.283mm-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/mmspecimenspressurehead钠冷快堆结构材料辐照性能研究辐照后检验半热室中的万能试验机：温度:-100～