第九章快中子增值堆

第九章快中子增值堆第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日1第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日優(yōu)點：增值：

快中于反應(yīng)堆內(nèi)核燃料裂變主要由能量約100keV以上的快中子引起，不需要慢化劑，可實現(xiàn)钚-239和釷232的增值轉(zhuǎn)換。快中子增殖堆尚有一系列技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的問題還沒有解決。主要是：

1、快中子反應(yīng)堆內(nèi)中子平均能量很高，中子有害吸收小，易于實現(xiàn)增殖。但在高能區(qū)核燃料的裂變截面也很小，因此為了使鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)能進(jìn)行，快中子堆內(nèi)必須有較高的核燃料富集度(當(dāng)量富集度達(dá)15％(質(zhì)量)一35％(質(zhì)量)，而且燃料初裝量也很大?？於迅攀龅谌?，共三十七頁，2022年，8月28日2

．由于快中子堆堆芯內(nèi)沒有慢化劑，所以體積小，功率密度高達(dá)300一600Mw／m3，是壓水堆的4—8倍。因此要求采用傳熱性能好而慢化化性能差的冷卻劑，目前采用液態(tài)金屬鈉和氦氣，但鈉回路工藝及防爆措施在工業(yè)規(guī)模的大量操作上還缺乏經(jīng)驗。而流速約為100m／s的氦氣冷卻在技術(shù)上也是較復(fù)雜的問題，還需進(jìn)行大量研究試驗。3．快中子堆的燃料元件加工及乏燃料后處理要求高。且其快中子輻照注量率也比熱中子堆大幾十倍，因此對材料的要求也較苛刻。4．快中子堆內(nèi)的中子平均壽命比熱中子堆的短，而且壞—239的緩發(fā)中子份額只有鈾—235的1／3左有，所以快中子堆的控制比較困難。因此，到目前為止，快中子反應(yīng)堆還未能獲得大量發(fā)展。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日快堆的分類：按冷卻劑材料，快中子堆又可分為鈉冷快堆和氣冷快堆，其中LMFBR的蒸汽參數(shù)很高，壓力達(dá)16～18MPa，溫度約為500c，因此電站的效率接近40％。按回路布置結(jié)構(gòu)，可分為回路式快堆電站和池式快堆電站第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日池式的主要系統(tǒng)和上述回路式相同，但它把反應(yīng)堆堆芯、一回路鈉泵及中間熱交換器都浸泡在一個大型鈉容器中。這種型式可降低一‘回路嚴(yán)重泄漏的可能性，即使某些設(shè)備發(fā)生故障也不會發(fā)生鈉流出事故，所以安全性較好。第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日快堆技術(shù)特點以快中子產(chǎn)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)；大多數(shù)快堆采用液態(tài)金屬Na做冷卻劑，氦氣；比壓水堆多一個回路；一回路是一個高溫低壓系統(tǒng)?？於丫哂辛己玫陌踩?，Na的沸點高，常壓運(yùn)行；2，熱容量大，能導(dǎo)出余熱；3，堆芯有較大負(fù)反饋，事故狀態(tài)能夠自穩(wěn)。第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日快堆是封閉的燃料循環(huán)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)我國目前的核電站中，有兩個裝機(jī)為重水堆型，其余全部為壓水堆型。世界各國研究表明：快堆可以解決大規(guī)模的壓水堆核電站發(fā)展帶來的核燃料短缺及長壽命核廢物處置問題?？於咽欠忾]的燃料循環(huán)必不可少的環(huán)節(jié)已經(jīng)得到世界公認(rèn)。封閉燃料循環(huán)可將鈾資源的利用率從單單發(fā)展壓水堆的1％左右提高到60~70％。第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日國際快堆的發(fā)展快堆是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)增殖核燃料的先進(jìn)堆型。

國外快堆發(fā)展已有50多年歷史，1946年建成第一個實驗快堆。目前世界上已建成了２１座快堆。其中俄羅斯、法國、日本等國家一直在致力于快堆的發(fā)展。當(dāng)前國際上最引人注目的消息是：Fig.1PFBRflowsheet4x8MWt印度政府已經(jīng)批準(zhǔn)在英迪拉·甘地原子研究中心建造一座500MWt的原型快堆?。ǔ厥?回路）第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日中國的快堆發(fā)展我國早在70年代就開始快堆開發(fā)和研究七五期間，國家八六三高技術(shù)計劃能源領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會對我國發(fā)展快堆進(jìn)行了論證，結(jié)論是：

“應(yīng)力爭在本世紀(jì)末建造一座熱功率65MW，電功率約20MW的實驗性快堆”在我國新世紀(jì)的核能發(fā)展基本方針中指出：“核能發(fā)展繼續(xù)執(zhí)行熱中子反應(yīng)堆（壓水堆為主）－快中子反應(yīng)堆－受控核聚變堆，三步走的路線，當(dāng)前以發(fā)展熱堆為主，同時要繼續(xù)開展快中子增殖堆和受控核聚變堆技術(shù)研究、開發(fā)和跟蹤”

第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日CEFR－中國原子能科學(xué)研究院（北京/房山區(qū)）第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日CEFR是我國第一座快堆，65MWt、20MWe。2000年澆灌第一罐混凝土，2002年8月15日核島主廠房封頂，2004年完成施工設(shè)計，目前進(jìn)入全面安裝階段，調(diào)試已經(jīng)開始，運(yùn)行準(zhǔn)備工作正在進(jìn)行，預(yù)計2008年12月首次臨界。中國實驗快堆

ChinaExperimentalFastReactor“CEFR”第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日CEFR系統(tǒng)流程示意圖14324567891088第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日液態(tài)金屬鈉具有較高的傳熱特性很寬的溫度范圍內(nèi)保持為液態(tài)普朗特數(shù)很小1可以在很高的溫度下，在較小的溫差情況下移走大量的熱能2堆內(nèi)燃料元件的熱流很高，可以達(dá)到較高的比功率3由于熱鈉的熱導(dǎo)好，熱點因子也會減小，活性區(qū)內(nèi)溫度變化隨之降低，及時在熱沖擊的情況下，結(jié)構(gòu)變形的幾率也非常小。其熔點僅為97.8℃，沸點高達(dá)882.9℃。這樣使得快堆采用比較低的系統(tǒng)壓力就可以得到高的反應(yīng)堆堆芯出口溫度。從而獲得較高的動力循環(huán)效率，而堆容器內(nèi)的壓力又不高，降低了造價，也就降低了發(fā)電成本。1跟其它流體不同，在液態(tài)鈉流道內(nèi)的熱阻不是集中在層流底層或緩沖層內(nèi)，而是比較均勻的分布在整個截面上。2液鈉的高熱到使得邊界條件的影響達(dá)到更遠(yuǎn)的范圍，因而流道的幾何形狀對液鈉的熱傳遞影響很大。由于分子熱導(dǎo)在整個流道中起著很重要的作用，流體中溫度分布與邊界的形狀有很大關(guān)系3湍流狀態(tài)的液鈉的熱入口效應(yīng)比普通流體大的多，發(fā)熱面的熱流分布情況對傳熱系數(shù)有很大影響。第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖1CEFR堆芯流量分區(qū)在穩(wěn)態(tài)情況下，快堆燃料元件的中心溫度不能超過燃料的融化溫度。不銹鋼包殼溫度溫度不能超過定值，對于采用316不銹鋼的CEFR溫度運(yùn)行限值為700℃，安全限值為800℃。.CEFR的65MW熱功率是由堆芯燃料組件、控制棒組件、屏蔽層組件等發(fā)出的，其中堆芯燃料組件占90％多的額定熱功率。需要約300kg/s的冷卻劑鈉從360℃加熱到約530℃，才能把堆芯的熱能載出到反應(yīng)堆容器之外，并且要保證燃料的最高溫度和燃料棒包殼的最高溫度不超過它們的熔點，鈉的最高溫度不超過相應(yīng)壓力下的沸點。堆芯穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計問題第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日燃料組件采用國際通用的六角形結(jié)構(gòu)，由操作頭、六角形套管、管角、燃料棒束和上部鋼屏蔽棒等組成。燃料棒也是快堆典型的燃料棒結(jié)構(gòu)，中間是燃料區(qū)，緊靠燃料兩端是貧鈾轉(zhuǎn)換區(qū)，下轉(zhuǎn)換區(qū)下面是裂變氣體腔。燃料棒插在組件下部格柵上，外纏螺旋繞絲，以徑向定位。組件通過小柵板聯(lián)箱固定在大柵板聯(lián)箱上，組件上面有定位塊徑向定位。第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日主泵支承中間熱交換器支承堆內(nèi)屏蔽主容器及保護(hù)容器堆芯圍桶壓力管柵扳聯(lián)箱堆內(nèi)支承結(jié)構(gòu)堆芯熔化收集器保溫層大小旋塞鈉池是池式鈉冷快堆一回路主冷卻系統(tǒng)的主體，它容納反應(yīng)堆堆芯、一回路循環(huán)泵、熱交換器、設(shè)備和容器的支承結(jié)構(gòu)以及大量的液態(tài)鈉（CEFR有260噸）。第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日快堆堆芯結(jié)構(gòu)堆芯分為兩個區(qū)：燃料區(qū)

钚燃料組件＋B4C控制組件再生區(qū)（增值轉(zhuǎn)換區(qū)）

增值組件:可轉(zhuǎn)換材料布置方式：均勻，非均勻均勻：非均勻：第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日快堆燃料組件結(jié)構(gòu)采用三角形或者六角形柵格結(jié)構(gòu)的原因燃料棒結(jié)構(gòu)第一代核燃料：氧化物；第二代核燃料：炭化物芯塊大小7mm高度，6mm直徑，包殼外徑6-8mm,易裂變?nèi)剂涎b載高度為燃料棒長度的1/3,總高度為3m.軸向轉(zhuǎn)換區(qū)裂變氣體腔；高度1m，位置？？第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日快堆燃料組件結(jié)構(gòu)燃料棒定位兩種方案：金屬繞絲or定位柵格架金屬繞絲：制造容易，成本低；機(jī)械性能好，但在運(yùn)行時會發(fā)生輕微移動定位格架：提高增值比；降低熱管因子第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日快堆堆內(nèi)其它組件轉(zhuǎn)換區(qū)組件：與燃料組件外觀相似，內(nèi)部裝料不同，全部為增值材料，元件棒直徑較大（2倍），并保證線功率不超標(biāo)控制組件：主要功能（1）補(bǔ)償反應(yīng)性（2）啟堆停堆（3）快速停堆屏蔽組件：為反應(yīng)堆容器和容器內(nèi)的重要部件提供中子等屏蔽第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日快堆的發(fā)展前景在我國新世紀(jì)的核能發(fā)展基本方針中指出：“核能發(fā)展繼續(xù)執(zhí)行熱中子反應(yīng)堆（壓水堆為主）－快中子反應(yīng)堆－受控核聚變堆，三步走的路線，當(dāng)前以發(fā)展熱堆為主，同時要繼續(xù)開展快中子增殖堆和受控核聚變堆技術(shù)研究、開發(fā)和跟蹤”第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日第二十九頁，