反应堆结构课件9第九章快中子增值堆.ppt

1、 1快中子增值堆快中子增值堆FBRFBR 2 3 4 5 6 7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，堆芯有较大负反馈，事故状态能够自稳。态能够自稳。8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

2、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核燃料短缺短缺及及长寿命核废物处置长寿命核废物处置问题。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压水堆的将铀资源的利用率从单单发展压水堆的1左右提高到左右提高到6070。9国际快堆的发展国际快堆的发展p快堆是目前快堆是目

3、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印度政府已印度政府已经批准在英经批准在英迪拉迪拉甘地原甘地原子研究中心子研究中心 建造一座建造一座500MWt的原的原型快堆型快堆！（池式

4、池式/回路）回路）10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：进行了论证，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，三步走的路反应堆（压水

5、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、开发和跟踪变堆技术研究、开发和跟踪”11 12pCEFR是我国第一座是我国第一座快堆，快堆，65MWt、20MWe。p2000年浇灌第一罐年浇灌第一罐混凝土，混凝土，2002年年8月月15日核岛主厂房封日核岛主厂房封顶，顶，2004年完成施年完成施工设计，目前进入工设计，目前进入全面安装阶段，调全面安装阶段，调试已经开始，运行试已经开始，运行准备工作正在进行，准备工作正在进行，预计预计2008年年12月首月首次临界。次

6、临界。中国实验快堆中国实验快堆China Experimental Fast Reactor “CEFR”13CEFR系统流程示意图系统流程示意图14324567891088 14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移走大量的热能2 堆内燃料元件的热流很高，可以达到较高的堆内燃料元件的热流很高，可以达到较高的比功率比功率 3 由于热钠的热导好，热点因子也会减小，活由于热钠的热导好，热点因子也会减小，活性区内

7、温度变化随之降低，及时在热冲击的情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。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。这样使得快堆采用比较低的系统压力这样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。就可以得到高的反应堆堆芯出口温度。从而获得较高的动力循环效率，而堆从而获得较高的动力循环效率，而堆容器内的压力又不高，降低了造价，容器内的压力又不高，降低了造价，也就降低了发电成本。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跟其它流体不同，在

8、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。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 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

9、大影响。15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，对于采用过定值，对于采用316不锈钢的不锈钢的CEFR温度运行限温度运行限值为值为700，安全限值为，安全限值为800。.CEFR的的65MW热功率是热功率是由由堆芯燃料组件、控制堆芯燃料组件、控制棒组件、屏蔽层组件棒组件、屏蔽层组件等等发出的，其中堆芯燃料发出的，其中堆芯燃料组件占组件占90多的额定热多的额定热功率。需要约功率。需要约300kg/s的的冷却剂钠从冷却剂钠从360加热

10、到加热到约约530，才能把堆芯的，才能把堆芯的热能载出到反应堆容器热能载出到反应堆容器之外，并且要保证燃料之外，并且要保证燃料的最高温度和燃料棒包的最高温度和燃料棒包壳的最高温度不超过它壳的最高温度不超过它们的熔点，钠的最高温们的熔点，钠的最高温度不超过相应压力下的度不超过相应压力下的沸点。沸点。堆芯稳态热工设计问题堆芯稳态热工设计问题 16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、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

11、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。组件通过小栅板联箱固插在组件下部格栅上，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。定在大栅板联箱上，组件上面有定位块径向定位。17主泵支承主泵支承中间热交换中间热交换器支承器支承堆内屏蔽堆内屏蔽主容器及主容器及保护容器保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堆内支承结构结构堆芯熔化堆芯熔化收集器收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

12、回路主冷却系统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、设备和容器的支承结环泵、热交换器、设备和容器的支承结构以及大量的液态钠（构以及大量的液态钠（CEFR有有260吨）。吨）。18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：19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

13、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：炭化物炭化物芯块大小芯块大小 7mm7mm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？20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

14、造容易，成本低；机械性能好，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 21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 22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”23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37