鉛鉍冷快堆燃料與結(jié)構(gòu)材料的選擇及主要問題

1、 秦秦 博博 阮章順阮章順 張金權(quán)張金權(quán) 付曉剛付曉剛 任麗霞任麗霞 楊楊 文文中國原子能科學(xué)研究院中國原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆設(shè)計(jì)研究部反應(yīng)堆材料中心反應(yīng)堆設(shè)計(jì)研究部反應(yīng)堆材料中心china institute of atomic energy, 102413, beijing, chinachina institute of atomic energy, 102413, beijing, china ads系統(tǒng)原理和構(gòu)成強(qiáng)流質(zhì)子加速器強(qiáng)流質(zhì)子加速器提供高能質(zhì)子束，轟擊提供高能質(zhì)子束，轟擊重金屬散裂靶重金屬散裂靶，產(chǎn)生高通量散裂中子，產(chǎn)生高通量散裂中子驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆芯次臨界反應(yīng)堆芯運(yùn)行，

2、將長(zhǎng)壽命運(yùn)行，將長(zhǎng)壽命（萬年以上）高放核廢料嬗變成短壽命高放核廢料嬗變成短壽命（百年級(jí)）核廢料，達(dá)到焚燒核廢料中長(zhǎng)壽命核素的目的核廢料，達(dá)到焚燒核廢料中長(zhǎng)壽命核素的目的鉛鉍冷快堆的應(yīng)用背景鉛鉍冷快堆的應(yīng)用背景-ads-ads系統(tǒng)系統(tǒng)鉛鉍合金（鉛鉍合金（lbelbe）鉛鉍合金冷卻劑鉛鉍合金冷卻劑創(chuàng)新型核能系統(tǒng)創(chuàng)新型核能系統(tǒng)-giv -giv 第四代反應(yīng)堆第四代反應(yīng)堆鈉冷快中子反應(yīng)堆鈉冷快中子反應(yīng)堆 (sfr)(sfr)鉛冷快中子反應(yīng)堆鉛冷快中子反應(yīng)堆 (lfr)(lfr)氣冷快中子反應(yīng)堆氣冷快中子反應(yīng)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(yīng)堆熔鹽

3、金屬反應(yīng)堆(msr)鉛鉍冷快堆的應(yīng)用背景鉛鉍冷快堆的應(yīng)用背景-lfr-lfr鉛鉍冷快堆的應(yīng)用背景鉛鉍冷快堆的應(yīng)用背景- -小型化小型化lfrlfr上天下海致謝：楊宏義教授提供資料致謝：楊宏義教授提供資料致謝：喻宏教授提供資料致謝：喻宏教授提供資料空空間間電電站站深深海海電電站站小型車載式移動(dòng)電源小型車載式移動(dòng)電源鉛鉍快堆的優(yōu)點(diǎn)鉛鉍快堆的優(yōu)點(diǎn)感謝喻宏教授提供素材鉛鉍快堆具有高安全、小型化、長(zhǎng)壽命、高功率密度等特點(diǎn)。堆芯壽命510滿功率年反應(yīng)堆壽期1530年 系統(tǒng)簡(jiǎn)化易實(shí)現(xiàn)池式一體化布置無中間回路系統(tǒng)屏蔽設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化無復(fù)雜專設(shè)安全系統(tǒng)核熱供應(yīng)模塊一體化設(shè)計(jì)熱電轉(zhuǎn)換模塊儲(chǔ)電、供熱等能源供給模塊海水淡

4、化模塊可實(shí)現(xiàn)少人或無人控制巡航速度高提速快自然循環(huán)可大幅降低噪聲源運(yùn)行在低壓狀態(tài)和相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)特性，使其具備固有的非能動(dòng)安全特性可實(shí)現(xiàn)完全自然循環(huán)鉛鉍沸點(diǎn)高，不會(huì)發(fā)生傳熱惡化鉛鉍冷快堆堆芯的完全融化的可能性非常小非能動(dòng)放射性包容冷卻劑：鉛鉍合金，冷卻劑：鉛鉍合金，lead bismuth eutectic(lbe) lbelbe的相圖（的相圖（pb-55.5bipb-55.5bi）什么是鉛鉍合金？什么是鉛鉍合金？pb: 44.5 wt.%bi: 55.5wt.%j 好的中子學(xué)性能好的中子學(xué)性能，能夠發(fā)生散裂反應(yīng)，在相同的質(zhì)子束功，能夠發(fā)生散裂反應(yīng)，在相同的質(zhì)子束功率下，可獲得比固態(tài)鎢靶更高中

5、子通量密度率下，可獲得比固態(tài)鎢靶更高中子通量密度j 高的傳熱能力高的傳熱能力；j 高沸點(diǎn)高沸點(diǎn)(1725)(1725)、低熔點(diǎn)低熔點(diǎn)(125.5)(125.5)： - -系統(tǒng)可以在低溫、低壓條件下運(yùn)行，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度和高溫高系統(tǒng)可以在低溫、低壓條件下運(yùn)行，降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度和高溫高壓下運(yùn)行所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)；壓下運(yùn)行所帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)； - -在堆運(yùn)行溫度下，在堆運(yùn)行溫度下，lbelbe的飽和蒸汽壓低，可縮減因鉛鉍蒸發(fā)與沉積所的飽和蒸汽壓低，可縮減因鉛鉍蒸發(fā)與沉積所引起的系統(tǒng)控制和維修等問題的數(shù)量引起的系統(tǒng)控制和維修等問題的數(shù)量； - -可排除嚴(yán)重事故、超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故情況下堆芯過熱引起主回

6、路增壓、可排除嚴(yán)重事故、超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故情況下堆芯過熱引起主回路增壓、沸騰和熱爆炸的可能性沸騰和熱爆炸的可能性 - -由于排除了冷卻劑氣化，有可能防止失去冷卻劑事故由于排除了冷卻劑氣化，有可能防止失去冷卻劑事故鉛鉍合金的優(yōu)點(diǎn)鉛鉍合金的優(yōu)點(diǎn)水（水（0.62）氦氣（）氦氣（0.144）鈉（）鈉（130）lbe（12.6）j 低的熱中子吸收截面低的熱中子吸收截面j化學(xué)活性?。夯瘜W(xué)活性?。?- -消除了萬一冷卻劑泄漏到反應(yīng)堆房間或因消除了萬一冷卻劑泄漏到反應(yīng)堆房間或因sgsg傳熱管斷裂，液態(tài)金屬傳熱管斷裂，液態(tài)金屬- -水相互反應(yīng)，發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能性。水相互反應(yīng)，發(fā)生火災(zāi)和爆炸的可能性。 - -反應(yīng)

7、堆采用整體設(shè)計(jì)，允許非能動(dòng)排除余熱。即使失去其它所有的熱反應(yīng)堆采用整體設(shè)計(jì)，允許非能動(dòng)排除余熱。即使失去其它所有的熱排出系統(tǒng)，仍然可用環(huán)繞容器的空氣或水自然循環(huán)冷卻反應(yīng)堆容器，排出系統(tǒng)，仍然可用環(huán)繞容器的空氣或水自然循環(huán)冷卻反應(yīng)堆容器，避免堆芯極度過熱使堆芯損壞。避免堆芯極度過熱使堆芯損壞。j 更好地屏蔽更好地屏蔽 射線射線j lbelbe固化時(shí)較少的體積變化固化時(shí)較少的體積變化： - -可進(jìn)行多次的可進(jìn)行多次的“凝固熔化凝固熔化”操作，反應(yīng)堆設(shè)備和部件也不會(huì)受到變操作，反應(yīng)堆設(shè)備和部件也不會(huì)受到變形和損傷形和損傷 鉛鉍合金的優(yōu)點(diǎn)鉛鉍合金的優(yōu)點(diǎn)l 高密度高密度 ( (不銹鋼部件和燃料組件浮起來

8、）不銹鋼部件和燃料組件浮起來）l 不透明不透明 （燃料組件操作時(shí)不可視）（燃料組件操作時(shí)不可視）l lbe lbe與結(jié)構(gòu)材料的相容性較差，尤其需要考慮燃料元件包與結(jié)構(gòu)材料的相容性較差，尤其需要考慮燃料元件包殼材料在液態(tài)殼材料在液態(tài)lbelbe中的腐蝕中的腐蝕l 容易產(chǎn)生氧化物（如容易產(chǎn)生氧化物（如pbopbo）從而阻塞流道）從而阻塞流道l bi bi 活化會(huì)產(chǎn)生放射性同位素活化會(huì)產(chǎn)生放射性同位素 210210popo液態(tài)鉛鉍合金液態(tài)鉛鉍合金鉛鉍合金的缺點(diǎn)鉛鉍合金的缺點(diǎn)最早的鉛鉍合金冷卻快堆最早的鉛鉍合金冷卻快堆pb-bi exp facility (1951) 首艘鉛鉍核潛艇（ns-645）7

9、3mwth(1963)ns-705鉛鉍核潛艇155mwth(1971)ns-705系列鉛鉍核潛艇（7艘）155mwth(1976-1996)svbr-100陸上堆（2017）ns-645核潛艇巡航出現(xiàn)事故 lbe氧濃度沒有進(jìn)行控制而導(dǎo)致氧化物集聚引起了管道的堵塞、材料腐蝕問題的出現(xiàn)p 俄羅斯具有鉛鉍堆核動(dòng)力水下運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)p gif下設(shè)的鉛冷快堆臨時(shí)系統(tǒng)指導(dǎo)委員會(huì)（pssc）給出的三種鉛冷快堆參考堆型正在設(shè)計(jì)研發(fā)的鉛鉍冷快堆正在設(shè)計(jì)研發(fā)的鉛鉍冷快堆流體套管流體套管功率：1500/600mw1500/600mw燃料：mox冷卻劑溫度：400/480oc包殼溫度：max540oc 功率：700/300

10、mw700/300mw燃料：氮化鈾+氮化钚冷卻劑溫度：420/540oc包殼溫度：max650oc 功率：45/20mw45/20mw燃料：氮化物冷卻劑溫度：420/560oc包殼溫度：max650oc p 原子能院緊緊抓住國家軍民兩用戰(zhàn)略需求，聚焦固定和移動(dòng)兩個(gè)型號(hào)系列，以示范項(xiàng)目為牽引，圍繞型號(hào)初步設(shè)計(jì)，開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究正在設(shè)計(jì)研發(fā)的鉛鉍冷快堆正在設(shè)計(jì)研發(fā)的鉛鉍冷快堆功率：15/3mw15/3mw燃料：uo2或mox冷卻劑溫度：340/485oc包殼溫度：max540oc 鉛及鉛鉍冷快堆技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)鉛及鉛鉍冷快堆技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)燃料的選擇燃料的選擇top-capupper reflec

11、tor-insulatorod=5.40 id=1.506006060580202014006.55bottom-caplower reflector-insulatorod=5.40 id=1.50fuel pellet od=5.40 id=1.60gas plenum60springcladding od=6.55 id=5.60supportspring chambertop-capupper reflector-insulatorod=5.40 id=1.506006060580202014006.55bottom-caplower reflector-insulatorod=5.4

12、0 id=1.50fuel pellet od=5.40 id=1.60gas plenum60springcladding od=6.55 id=5.60supportspring chamberdin cladd dgapd dcladcurtsy to dr. steven van dyck of sck cen 包殼材料包殼材料 外套管材料外套管材料 上端塞壓緊彈簧上端隔熱塊下端隔熱塊金屬繞絲燃料區(qū)下端塞包殼操作頭外套管堆芯支撐lbe入口結(jié)構(gòu)材料的選擇結(jié)構(gòu)材料的選擇包殼材料包殼材料外套管材料外套管材料輻照效應(yīng)輻照效應(yīng)輻照腫脹輻照腫脹輻照引起的蠕變輻照引起的蠕變輻照脆化輻照脆化輻照腫脹輻

13、照腫脹輻照引起的蠕變輻照引起的蠕變輻照脆化輻照脆化力學(xué)性能力學(xué)性能拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度拉伸塑性拉伸塑性蠕變強(qiáng)度蠕變強(qiáng)度蠕變塑性蠕變塑性拉伸強(qiáng)度拉伸強(qiáng)度拉伸塑性拉伸塑性腐腐 蝕蝕與與lbelbe的相容性的相容性與燃料的相容性與燃料的相容性與裂變產(chǎn)物的相容性與裂變產(chǎn)物的相容性與與lbelbe的相容性的相容性其其 他他良好的加工性能良好的加工性能國際上較為成熟的使用經(jīng)驗(yàn)國際上較為成熟的使用經(jīng)驗(yàn)與可供選擇的材料與可供選擇的材料燃料組件材料的選材標(biāo)準(zhǔn)燃料組件材料的選材標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)材料的選擇結(jié)構(gòu)材料的選擇材料輻照腫脹隨輻照損傷劑量材料輻照腫脹隨輻照損傷劑量dpadpa的變化的變化long bin, long bi

14、n, china institute of atomic energy, 102413, beijing, chinachina institute of atomic energy, 102413, beijing, china結(jié)構(gòu)材料的性能之一結(jié)構(gòu)材料的性能之一20% c.w. 316 ti 20% c.w. 316 ti 的腫脹的腫脹fftffftf輻照，注量：輻照，注量：1.5x101.5x102323n/cmn/cm3 3材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度（材料韌脆轉(zhuǎn)變溫度（dbttdbtt）與與crcr含量的關(guān)系含量的關(guān)系鐵素體鐵素體- -馬氏體馬氏體不銹鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（不銹鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度（db

15、ttdbtt）結(jié)構(gòu)材料的性能之二結(jié)構(gòu)材料的性能之二lbe的氧含量為10-8 10-6 wt.%450 3000h cn1515450 3000h t91結(jié)構(gòu)材料的性能之三結(jié)構(gòu)材料的性能之三10mlbe的氧含量為10-8 10-6 wt.%450 6000h cn1515316ti-550oc-6000ht91-550oc-6000h304ss-500oc-1000hcn1515-600-6000h234mcn1515-600-3000h 190mcn1515-600-1000h 80mt91-600oc-6000h解決方法解決方法fm-al-re合金在合金在 550oc鉛腐蝕鉛腐蝕19000

16、h引自：peter dmstedt, mats lundberg and peter szakalos corrosion studies of low-alloyed fecral steels in liquid lead at 750 oc, oxidation of metals (2019) fe-10cr-4al-re re（活性元素）：ti, zr, nb, y 減少輻照脆性和增加可焊性 在鉛或鉛鉍中形成100nm的保護(hù)性的氧化鋁層解決方法之一解決方法之一 新材料新材料fm-al-re合金合金在在 750oc鉛腐蝕鉛腐蝕1800 h在高溫下，在高溫下，雖然表面覆雖然表面覆蓋氧化鋁

17、層，蓋氧化鋁層，但仍發(fā)現(xiàn)但仍發(fā)現(xiàn)鉛鉛的侵入的侵入fe-cr-ni-al-re合金合金 550oc lbe腐蝕腐蝕1000 h (氧含量：氧含量：1 10-6 wt.%）simp鋼與鋼與 t91鋼在鋼在 600 oc的靜態(tài)飽和氧的靜態(tài)飽和氧 lbe腐蝕腐蝕1000 h的截面形貌的截面形貌添加si，在基體和氧化鉻之間形成一個(gè)保護(hù)膜，加強(qiáng)對(duì)基體元素的溶解的阻礙作用simp鋼t91鋼上述結(jié)果引自：楊 柯、嚴(yán) 偉、 、單以銀、石全強(qiáng)、史顯波、王 威，金屬學(xué)報(bào)， vol.52, no.10, oct. 2016, pp.1207-1221解決方法之一解決方法之一 新材料新材料解決方法之一解決方法之一 新材

18、料新材料奧氏體不銹鋼鋼奧氏體不銹鋼鋼jpca和和sandvik sx 鋼在飽和氧的鋼在飽和氧的lbe550oc腐蝕腐蝕3000 h cr含量的增加有助于si氧化物生成： 18cr-20ni-5siy. kurata, m. futakawa / journal of nuclear materials 325 (2004) 217222jpcasandvik sx fe-cr-ni-si解決方法之二解決方法之二 表面涂層技術(shù)表面涂層技術(shù)jpcafecraly bonding layer +fully dense and compact topcoatcurtsy to dr. p. agost

19、ini， enea解決方法之三解決方法之三 lbe lbe中的氧控制中的氧控制)(2)(2)(liquidgasdissolvedpbohhpbo)()(2)(dissolvedgasliquidpboopb部件材料部件材料輻照效應(yīng)輻照效應(yīng)輻照脆化（低輻照劑量）輻照脆化（低輻照劑量）力學(xué)性能力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度蠕變?nèi)渥? -疲勞交互作用疲勞交互作用蠕變?nèi)渥兏?蝕蝕與與lbelbe的相容性的相容性其其 他他設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（滿足rcc-mrrcc-mr或或asmeasme標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)) )結(jié)構(gòu)的完整性結(jié)構(gòu)的完整性可焊性和良好的加工性能可焊性和良好的加工性能與可供選擇的材料以及良好的經(jīng)濟(jì)型

20、與可供選擇的材料以及良好的經(jīng)濟(jì)型低周疲勞低周疲勞高周疲勞高周疲勞 堆芯支撐堆芯支撐 主容器主容器 堆芯圍桶堆芯圍桶 泵泵 中間熱交換器中間熱交換器 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)堆內(nèi)主要材料的選材標(biāo)準(zhǔn)堆內(nèi)主要材料的選材標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)材料的選擇結(jié)構(gòu)材料的選擇奧氏體奧氏體316不銹鋼和鐵素體不銹鋼和鐵素體-馬氏體鋼馬氏體鋼t91的性能的性能元素元素含量（含量（wt.%)元素元素含量（含量（wt.%)元素元素含量（含量（wt.%)c0.05-0.12n0.03-0.07si0.20-0.50cr5.0-9.5nb0.06-0.10al0.04 maxmn0.30-0.60s0.01 maxni0.40 ma

21、xmo0.55-1.05p0.02 maxv0.15-0.25t91t91的化學(xué)成分的化學(xué)成分 （剩余為（剩余為fefe）316316的化學(xué)成分（剩余為的化學(xué)成分（剩余為fefe）asme代碼代碼sa-240 （板材、帶材及棒材）（板材、帶材及棒材）元素元素含量（含量（wt.%) 元素元素含量（含量（wt.%) 元素元素含量（含量（wt.%)cr16.00-18.00c 0.03p 0.045ni10.00-14.00mn 2.0n 0.10mo2.00-3.00si 0.75s 0.03材料選擇材料選擇材料研究需要關(guān)注的問題材料研究需要關(guān)注的問題jpca材料研究需要關(guān)注的問題材料研究需要關(guān)注的問題jpca塑性