第九章快中子增值堆精选PPT.ppt

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1、第九章快中子增值堆1第1页，本讲稿共37页第2页，本讲稿共37页优点：优点：优点：优点：增值增值增值增值：快中于反应堆内核燃料裂变主要由能量约快中于反应堆内核燃料裂变主要由能量约快中于反应堆内核燃料裂变主要由能量约快中于反应堆内核燃料裂变主要由能量约100 100 keVkeV以上的快中子引起，不需要慢化剂，可实现钚以上的快中子引起，不需要慢化剂，可实现钚以上的快中子引起，不需要慢化剂，可实现钚以上的快中子引起，不需要慢化剂，可实现钚-239-239和钍和钍和钍和钍232232的的的的增值转换增值转换增值转换增值转换。快中子增殖堆尚有一系列技术上和经济上的问题还没有解决。快中子增殖堆尚有一系列

2、技术上和经济上的问题还没有解决。快中子增殖堆尚有一系列技术上和经济上的问题还没有解决。快中子增殖堆尚有一系列技术上和经济上的问题还没有解决。主要是：主要是：主要是：主要是：1 1、快中子反应堆内中子平均能量很高，中子有害吸收小，易、快中子反应堆内中子平均能量很高，中子有害吸收小，易、快中子反应堆内中子平均能量很高，中子有害吸收小，易、快中子反应堆内中子平均能量很高，中子有害吸收小，易于实现增殖。但在高能区核燃料的裂变截面也很小，因此于实现增殖。但在高能区核燃料的裂变截面也很小，因此于实现增殖。但在高能区核燃料的裂变截面也很小，因此于实现增殖。但在高能区核燃料的裂变截面也很小，因此为了使链式裂变

3、反应能进行，快中子堆内必须有为了使链式裂变反应能进行，快中子堆内必须有为了使链式裂变反应能进行，快中子堆内必须有为了使链式裂变反应能进行，快中子堆内必须有较高的核较高的核较高的核较高的核燃料富集度燃料富集度燃料富集度燃料富集度(当量富集度达当量富集度达当量富集度达当量富集度达1515(质量质量质量质量)一一一一3535(质量质量质量质量)，而且，而且，而且，而且燃料初装量也很大。燃料初装量也很大。燃料初装量也很大。燃料初装量也很大。快堆概述快堆概述快堆概述快堆概述第3页，本讲稿共37页2 2 2 2 由于快中子堆堆芯内没有慢化剂，所以体积小，功率由于快中子堆堆芯内没有慢化剂，所以体积小，功率由

4、于快中子堆堆芯内没有慢化剂，所以体积小，功率由于快中子堆堆芯内没有慢化剂，所以体积小，功率密度高达密度高达密度高达密度高达300300一一一一600 Mw600 Mwm3m3，是压水堆的，是压水堆的，是压水堆的，是压水堆的4848倍。因此要倍。因此要倍。因此要倍。因此要求采用传热性能好而慢化化性能差的冷却剂，目前采用液求采用传热性能好而慢化化性能差的冷却剂，目前采用液求采用传热性能好而慢化化性能差的冷却剂，目前采用液求采用传热性能好而慢化化性能差的冷却剂，目前采用液态金属态金属态金属态金属钠钠钠钠和和和和氦气氦气氦气氦气，但钠回路工艺及防爆措施在工业规模的，但钠回路工艺及防爆措施在工业规模的，

5、但钠回路工艺及防爆措施在工业规模的，但钠回路工艺及防爆措施在工业规模的大量操作上还缺乏经验。而流速约为大量操作上还缺乏经验。而流速约为大量操作上还缺乏经验。而流速约为大量操作上还缺乏经验。而流速约为100 m100 ms s的氦气冷却的氦气冷却的氦气冷却的氦气冷却在技术上也是较复杂的问题，还需进行大量研究试验。在技术上也是较复杂的问题，还需进行大量研究试验。在技术上也是较复杂的问题，还需进行大量研究试验。在技术上也是较复杂的问题，还需进行大量研究试验。3 3快中子堆的燃料元件加工及快中子堆的燃料元件加工及快中子堆的燃料元件加工及快中子堆的燃料元件加工及乏燃料后处理乏燃料后处理乏燃料后处理乏燃料

6、后处理要求高。且其要求高。且其要求高。且其要求高。且其快中子辐照注量率也比热中子堆大几十倍，因此对材料的快中子辐照注量率也比热中子堆大几十倍，因此对材料的快中子辐照注量率也比热中子堆大几十倍，因此对材料的快中子辐照注量率也比热中子堆大几十倍，因此对材料的要求也较苛刻。要求也较苛刻。要求也较苛刻。要求也较苛刻。4 4快中子堆内的中子平均寿命比热中子堆的短，而且坏快中子堆内的中子平均寿命比热中子堆的短，而且坏快中子堆内的中子平均寿命比热中子堆的短，而且坏快中子堆内的中子平均寿命比热中子堆的短，而且坏239239的缓发中子份额只有铀的缓发中子份额只有铀的缓发中子份额只有铀的缓发中子份额只有铀2352

7、35的的的的1 13 3左有，所以快中子左有，所以快中子左有，所以快中子左有，所以快中子堆的堆的堆的堆的控制比较困难控制比较困难控制比较困难控制比较困难。因此，到目前为止，因此，到目前为止，因此，到目前为止，因此，到目前为止，快中子反应堆还未能获得大量发展快中子反应堆还未能获得大量发展快中子反应堆还未能获得大量发展快中子反应堆还未能获得大量发展。第4页，本讲稿共37页快堆的分类：快堆的分类：快堆的分类：快堆的分类：按冷却剂材料，快中子堆又可分为按冷却剂材料，快中子堆又可分为按冷却剂材料，快中子堆又可分为按冷却剂材料，快中子堆又可分为钠冷快堆钠冷快堆钠冷快堆钠冷快堆和和和和气冷快堆气冷快堆气冷快

8、堆气冷快堆，其中，其中，其中，其中LMFBRLMFBR的蒸汽参数的蒸汽参数的蒸汽参数的蒸汽参数很高，压力达很高，压力达很高，压力达很高，压力达161618MPa18MPa，温度约为，温度约为，温度约为，温度约为500 c500 c，因此电站的效率接近，因此电站的效率接近，因此电站的效率接近，因此电站的效率接近 40 40。按回路布置结构，可分为按回路布置结构，可分为按回路布置结构，可分为按回路布置结构，可分为回路式快堆电站回路式快堆电站回路式快堆电站回路式快堆电站和和和和池式快堆电站池式快堆电站池式快堆电站池式快堆电站第5页，本讲稿共37页池式的主要系统和上述回路式相同，但它把池式的主要系统和

9、上述回路式相同，但它把池式的主要系统和上述回路式相同，但它把池式的主要系统和上述回路式相同，但它把反应堆堆芯、一回路钠泵及中间热交换反应堆堆芯、一回路钠泵及中间热交换反应堆堆芯、一回路钠泵及中间热交换反应堆堆芯、一回路钠泵及中间热交换器都浸泡在一个大型钠容器器都浸泡在一个大型钠容器器都浸泡在一个大型钠容器器都浸泡在一个大型钠容器中。这种型式可降低一中。这种型式可降低一中。这种型式可降低一中。这种型式可降低一 回路严重泄漏的可能性，即回路严重泄漏的可能性，即回路严重泄漏的可能性，即回路严重泄漏的可能性，即使某些设备发生故障也不会发生钠流出事故，所以安全性较好。使某些设备发生故障也不会发生钠流出事

10、故，所以安全性较好。使某些设备发生故障也不会发生钠流出事故，所以安全性较好。使某些设备发生故障也不会发生钠流出事故，所以安全性较好。第6页，本讲稿共37页快堆技术特点快堆技术特点u以快中子产生链式裂变反应以快中子产生链式裂变反应；u大多数快堆采用液态金属大多数快堆采用液态金属Na做冷却剂，氦气；做冷却剂，氦气；u比压水堆多一个回路；比压水堆多一个回路；u一回路是一个高温低压系统。一回路是一个高温低压系统。快堆具有良好的安全性快堆具有良好的安全性1，Na的沸点高，常压运行；的沸点高，常压运行；2，热容量大，能导出余热；，热容量大，能导出余热；3，堆芯有较大负反馈，事故状态能够自，堆芯有较大负反馈

11、，事故状态能够自稳。稳。第7页，本讲稿共37页快堆是快堆是封闭的燃料循环封闭的燃料循环中的关键环节中的关键环节p我国目前的核电站中，有两个装机为我国目前的核电站中，有两个装机为重水堆重水堆型，其余全部为型，其余全部为压水堆压水堆型。型。p世界各国研究表明：快堆可以解决大规模的压水堆核电站发展带来的世界各国研究表明：快堆可以解决大规模的压水堆核电站发展带来的核燃料短缺核燃料短缺及及长寿长寿命核废物处置命核废物处置问题。问题。p快堆是封闭的燃料循环必不可少的环节已经得到世界公认。封闭燃料循环可将铀资源的利用快堆是封闭的燃料循环必不可少的环节已经得到世界公认。封闭燃料循环可将铀资源的利用率从单单发展

12、压水堆的率从单单发展压水堆的1左右提高到左右提高到6070。第8页，本讲稿共37页国际快堆的发展国际快堆的发展p快堆是目前快堆是目前唯一能够实现增殖核燃料唯一能够实现增殖核燃料的先进堆型。的先进堆型。p国外快堆发展已有国外快堆发展已有50多年历史，多年历史，1946年建成第一个实验快堆。年建成第一个实验快堆。p目前世界上已建成了目前世界上已建成了座快堆。座快堆。p其中其中俄罗斯、法国、日本俄罗斯、法国、日本等国家一直在致力于快堆的发展。等国家一直在致力于快堆的发展。p当前国际上最引人注目的消息是：当前国际上最引人注目的消息是：Fig.1 PFBR flow sheet4 x 8 MWt印度政府

13、已经批印度政府已经批准在英迪拉准在英迪拉甘甘地原子研究中心地原子研究中心 建造一座建造一座500MWt的原型的原型快堆快堆！（池式池式/回路）回路）第9页，本讲稿共37页中国的快堆发展中国的快堆发展u我国早在我国早在70年代就开始快堆开发和研究年代就开始快堆开发和研究u七五期间，国家八六三高技术计划能源领域专家委员会对我国发展快堆进行了论七五期间，国家八六三高技术计划能源领域专家委员会对我国发展快堆进行了论证，结论是：证，结论是：“应力争在本世纪末建造一座热功率应力争在本世纪末建造一座热功率65MW，电功率约，电功率约20MW的实验性快堆的实验性快堆”在我国新世纪的核能发展基本方针中指出：在我

14、国新世纪的核能发展基本方针中指出：“核能发展继续执行热中子反应堆核能发展继续执行热中子反应堆（压水堆为主）快中子反应堆受控核聚变堆，三步走的路线，当前以发展热堆为主，（压水堆为主）快中子反应堆受控核聚变堆，三步走的路线，当前以发展热堆为主，同时要继续开展快中子增殖堆和受控核聚变堆技术研究、开发和跟踪同时要继续开展快中子增殖堆和受控核聚变堆技术研究、开发和跟踪”第10页，本讲稿共37页CEFR中国原子能科学研究院（北京中国原子能科学研究院（北京中国原子能科学研究院（北京中国原子能科学研究院（北京/房山区）房山区）房山区）房山区）第11页，本讲稿共37页uCEFR是我国第一座快是我国第一座快堆，堆

15、，65MWt、20MWe。u2000年浇灌第一罐混年浇灌第一罐混凝土，凝土，2002年年8月月15日日核岛主厂房封顶，核岛主厂房封顶，2004年完成施工设计，年完成施工设计，目前进入全面安装阶目前进入全面安装阶段，调试已经开始，段，调试已经开始，运行准备工作正在进运行准备工作正在进行，预计行，预计2008年年12月月首次临界。首次临界。中国实验快堆中国实验快堆China Experimental Fast Reactor “CEFR”第12页，本讲稿共37页CEFR系统流程示意图系统流程示意图14324567891088第13页，本讲稿共37页液态金属钠液态金属钠具有较高的传热特性具有较高的传

16、热特性很宽的温度范围内很宽的温度范围内保持为液态保持为液态普朗特数很小普朗特数很小1 可以在很高的温度下，在较小的温差情况下移走可以在很高的温度下，在较小的温差情况下移走大量的热能大量的热能2 堆内燃料元件的热流很高，可以达到较高的比功率堆内燃料元件的热流很高，可以达到较高的比功率 3 由于热钠的热导好，热点因子也会减小，活性区内温度变化随之由于热钠的热导好，热点因子也会减小，活性区内温度变化随之降低，及时在热冲击的情况下，结构变形的几率也非常小。降低，及时在热冲击的情况下，结构变形的几率也非常小。其熔点仅为其熔点仅为97.8，沸点高达，沸点高达882.9。这样。这样使得快堆采用比较低的系统压

17、力就可以得到使得快堆采用比较低的系统压力就可以得到高的反应堆堆芯出口温度。从而获得较高的高的反应堆堆芯出口温度。从而获得较高的动力循环效率，而堆容器内的压力又不高，动力循环效率，而堆容器内的压力又不高，降低了造价，也就降低了发电成本。降低了造价，也就降低了发电成本。1 跟其它流体不同，在液态钠流道内的热阻不是集中在层流底层或缓冲层内，而是比较均匀的分布在整个截面上。跟其它流体不同，在液态钠流道内的热阻不是集中在层流底层或缓冲层内，而是比较均匀的分布在整个截面上。2 液钠的高热到使得边界条件的影响达到更远的范围，因而流道的几何形状对液钠的热传递影响很大。由于液钠的高热到使得边界条件的影响达到更远

18、的范围，因而流道的几何形状对液钠的热传递影响很大。由于分子热导在整个流道中起着很重要的作用，流体中温度分布与边界的形状有很大关系分子热导在整个流道中起着很重要的作用，流体中温度分布与边界的形状有很大关系 3 湍流状态的液钠的热入口效应比普通流体大的多，发热面的热流分布情况对传热系数有很大影响。湍流状态的液钠的热入口效应比普通流体大的多，发热面的热流分布情况对传热系数有很大影响。第14页，本讲稿共37页图1 CEFR堆芯流量分区在稳态情况下，快堆燃料元件的中心温度不能超过燃料的融化温度。在稳态情况下，快堆燃料元件的中心温度不能超过燃料的融化温度。不锈钢包壳温度温度不能超过定值，对于采用不锈钢包壳

19、温度温度不能超过定值，对于采用316不锈钢的不锈钢的CEFR温温度运行限值为度运行限值为700，安全限值为，安全限值为800。.CEFR的的65MW热功率是由热功率是由堆芯堆芯燃料组件、控制棒组件、屏燃料组件、控制棒组件、屏蔽层组件蔽层组件等发出的，其中堆等发出的，其中堆芯燃料组件占芯燃料组件占90多的额定多的额定热功率。需要约热功率。需要约300kg/s的冷的冷却剂钠从却剂钠从360加热到约加热到约530，才能把堆芯的热能载，才能把堆芯的热能载出到反应堆容器之外，并且出到反应堆容器之外，并且要保证燃料的最高温度和燃要保证燃料的最高温度和燃料棒包壳的最高温度不超过料棒包壳的最高温度不超过它们的

20、熔点，钠的最高温度它们的熔点，钠的最高温度不超过相应压力下的沸点。不超过相应压力下的沸点。堆芯稳态热工设计问题堆芯稳态热工设计问题第15页，本讲稿共37页燃料组件采用国际通用的六角形结构，由操作头、六角形套管燃料组件采用国际通用的六角形结构，由操作头、六角形套管、管角、燃料棒束和上部钢屏、管角、燃料棒束和上部钢屏蔽棒等组成。燃料棒也是快堆典型的燃料棒结构，中间是燃料区，紧靠燃料两端是贫铀转换蔽棒等组成。燃料棒也是快堆典型的燃料棒结构，中间是燃料区，紧靠燃料两端是贫铀转换区，下转换区下面是裂变气体腔。燃料棒插在组件下部格栅上，外缠螺旋绕丝，以径向定位。区，下转换区下面是裂变气体腔。燃料棒插在组件

21、下部格栅上，外缠螺旋绕丝，以径向定位。组件通过小栅板联箱固定在大栅板联箱上，组件上面有定位块径向定位。组件通过小栅板联箱固定在大栅板联箱上，组件上面有定位块径向定位。第16页，本讲稿共37页主泵支承主泵支承中间热交换器中间热交换器支承支承堆内屏蔽堆内屏蔽主容器及保主容器及保护容器护容器堆芯围桶堆芯围桶压力管压力管栅扳联箱栅扳联箱堆内支承结堆内支承结构构堆芯熔化收堆芯熔化收集器集器保温层保温层大小旋塞大小旋塞钠池是池式钠冷快堆一回路主冷却系统的主体，它容纳钠池是池式钠冷快堆一回路主冷却系统的主体，它容纳反应堆堆芯、一回路循环泵、热交换器、设备和容器的反应堆堆芯、一回路循环泵、热交换器、设备和容器

22、的支承结构以及大量的液态钠（支承结构以及大量的液态钠（CEFR有有260吨）。吨）。第17页，本讲稿共37页快堆堆芯结构快堆堆芯结构堆芯分为两个区：堆芯分为两个区：燃料区燃料区 钚燃料组件钚燃料组件B4CB4C控制组件控制组件再生区（增值转换区）再生区（增值转换区）增值组件增值组件:可转换材料可转换材料布置方式：均匀，非均匀布置方式：均匀，非均匀均匀：均匀：非均匀：非均匀：第18页，本讲稿共37页快堆燃料组件结构快堆燃料组件结构采用三角形或者六角形栅格结构的原因采用三角形或者六角形栅格结构的原因燃料棒结构燃料棒结构第一代核燃料：第一代核燃料：氧化物氧化物；第二代核燃料：第二代核燃料：炭化物炭化

23、物芯块大小芯块大小 7mm 7mm高度，高度，6mm6mm直径，包壳外径直径，包壳外径6-8mm,6-8mm,易裂变燃料易裂变燃料装载高度为燃料棒长度的装载高度为燃料棒长度的1/3,1/3,总高度为总高度为3m.3m.轴向转换区轴向转换区：贫铀氧化物，装在堆芯上部和下部，典型高：贫铀氧化物，装在堆芯上部和下部，典型高度度0.3-0.4m0.3-0.4m裂变气体腔裂变气体腔；高度；高度1m1m，位置？，位置？第19页，本讲稿共37页快堆燃料组件结构快堆燃料组件结构燃料棒定位燃料棒定位 两种方案：两种方案：金属绕丝金属绕丝 or or 定位栅格架定位栅格架金属绕丝：金属绕丝：制造容易，成本低；机械

24、性能好，但在运行时制造容易，成本低；机械性能好，但在运行时会发生轻微移动会发生轻微移动定位格架：定位格架：提高增值比；降低热管因子提高增值比；降低热管因子第20页，本讲稿共37页快堆堆内其它组件快堆堆内其它组件转换区组件：转换区组件：与燃料组件外观相似，内部装料不同，全部为增值材料，与燃料组件外观相似，内部装料不同，全部为增值材料，元件棒直径较大（元件棒直径较大（2 2倍），并保证线功率不超标倍），并保证线功率不超标控制组件：控制组件：主要功能（主要功能（1 1）补偿反应性（）补偿反应性（2 2）启堆停堆（）启堆停堆（3 3）快速停堆）快速停堆屏蔽组件：屏蔽组件：为反应堆容器和容器内的重要部件

25、提供中子等屏蔽为反应堆容器和容器内的重要部件提供中子等屏蔽第21页，本讲稿共37页快堆的发展前景快堆的发展前景在我国新世纪的核能发展基本方针中指出：在我国新世纪的核能发展基本方针中指出：“核能发展继核能发展继续执行热中子反应堆（压水堆为主）快中子反应堆续执行热中子反应堆（压水堆为主）快中子反应堆受控核聚变堆，三步走的路线，当前以发展热堆为主，受控核聚变堆，三步走的路线，当前以发展热堆为主，同时要继续开展快中子增殖堆和受控核聚变堆技术研究、同时要继续开展快中子增殖堆和受控核聚变堆技术研究、开发和跟踪开发和跟踪”第22页，本讲稿共37页第23页，本讲稿共37页第24页，本讲稿共37页第25页，本讲稿共37页第26页，本讲稿共37页第27页，本讲稿共37页第28页，本讲稿共37页第29页，本讲稿共37页第30页，本讲稿共37页第31页，本讲稿共37页第32页，本讲稿共37页第33页，本讲稿共37页第34页，本讲稿共37页第35页，本讲稿共37页第36页，本讲稿共37页第37页，本讲稿共37页