钠冷快堆中的结构材料全解ppt课件.ppt

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1、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,China Institute of Atomic Energy, 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,Generation I,原型堆,秦山I期,Generatio

2、n 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-1000,Generation IV,创新型堆,CEFR CDFR CCFR SCWR,1985,压水堆电站在中国的成功,正在运行的: 4 plants, 11 units, about 8.6GWe正在建设的: 19 units with 20GWe计划在建设的: 7 units with 7GWe,Curtsy to Mr. Pan Ziqiang,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,* JIANG Ze-m

3、in, Reflection on energy issues in China, CHINA NUCLEAR POWER, 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,

4、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2007243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,To be f

5、illed,CEFR 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,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,堆本体高度: 45.

6、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: 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

7、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,13,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,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

8、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

9、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 1x1

10、018n/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, 219x10mmTemp. of Na in hot-leg: 495oCTemp. of Na in cold-leg: 310oC 流量:

11、274 kg/s,中国实验快堆主要材料,316-Ti S.S.,attacked 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)堆外模拟实验,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,材料与高温钠的相容性

12、,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: 4-5 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,hot leg,co

13、ld leg,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,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

14、: 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 - CEFR,CEFR,CEFR,一般区域: 1.5x1015n/cm2.s 14 dpa/100fped中心区域: 3.1x1015n/cm2.s 28 dpa/100fped,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,一般孔道: 2.6 dpa/year中心孔道: 2

15、5 dpa/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,Fracture surface of F82H, 19dpa/360oC,BF image shows the helium bubble of T91 afte

16、r irradiated to 13.5dpa in spalltion source,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: -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,小样品拉伸、冲压及断裂韧性测试试验：温度: -17025oC载荷: 010kN,specimens,pressure head,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: -100300oC载荷: 050kN,Test temperature oC,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,辐照后检验,Tran

17、sTemp program,半热室中的摆锤冲击试验机：温度: -130200oC冲击时间: 3s (5s)对中精度: 0.14 mm (0.25),Test temperature oC,Absorption Energy J,钠冷快堆结构材料辐照性能研究,辐照后检验,CFR-1000的主要参数,先进钠冷快堆结构材料的研制,先进钠冷快堆结构材料的研制,堆芯材料 - 燃料: MOX 或 金属燃料 - 包壳: 316Ti FM steel ODS - 外套管: 316Ti FM steel 结构材料 - 主容器及结构部件: 304LN, 316LN 或 FM steel - IHX: 304LN&

18、316LN - SG: mod. 9Cr1Mo,ODS合金,结 论,快堆技术的发展在我国处于实验堆阶段，距示范快堆和商用堆还有一段距离。尤其是应用于快堆的材料研发还没有系统地开展，因此新材料的研制及其使用性研究尚有大量工作需要开展;,以钠冷快堆为代表的第四代核能系统在国际上得到广泛重视，中国也先后加入了INPRO，GIF和GNEP等国际合作研发组织，与IAEA开展了紧密合作 。这些国际合作无疑将促进我国钠冷快堆技术的进一步发展；,CIAE作为国内钠冷快堆的领军，亦有强烈愿望与国内高水平生产企业和科研院所展开 紧密的合作，真正实现快堆技术的国产化。,谢谢关注,核电材料应用国际技术研讨会三亚, 2011年2月21日-25日,