吳宜燦

Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

中國(guó)ADS鉛基反應(yīng) 堆設(shè)計(jì)與研發(fā)進(jìn)展

吳宜燦

Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China

a r t i c l e i n f o

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Rec eived 23 November 2015

Revised 29 February 2016

Accepted 3 March 2016

Available online 31 March 2016

加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)

2011年，在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)“未來先進(jìn)核裂變能——加速器驅(qū)動(dòng)次臨界嬗變系統(tǒng)”等項(xiàng)目的支持下，針對(duì)加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)和第四代鉛冷快堆的技術(shù)發(fā)展目標(biāo)和試驗(yàn)要求，完成了具有臨界和加速器驅(qū)動(dòng)次臨界雙模式運(yùn)行能力的10 MW中國(guó)鉛基研究堆CLEAR-I的概念設(shè)計(jì)，建成了KYLIN系列鉛鉍回路試驗(yàn)平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上開展了反應(yīng)堆冷卻劑技術(shù)、關(guān)鍵組件、結(jié)構(gòu)材料與燃料、反應(yīng)堆運(yùn)行與控制技術(shù)等鉛鉍反應(yīng)堆關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。為驗(yàn)證及測(cè)試鉛基堆關(guān)鍵組件和綜合操作技術(shù)，正在開展鉛合金冷卻非核反應(yīng)堆CLEAR-S、鉛基零功率核反應(yīng)堆CLEAR-0和鉛基虛擬反應(yīng)堆CLEAR-V的建設(shè)。

? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1.引言

加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng)(ADS)是一種新型的核能利用裝置，由質(zhì)子加速器、重金屬散裂靶以及次臨界反應(yīng)堆組成。其原理是利用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶，產(chǎn)生散裂中子，以驅(qū)動(dòng)次臨界反應(yīng)堆中的核材料發(fā)生核反應(yīng)，同時(shí)維持次臨界反應(yīng)堆的運(yùn)行。由于ADS具有中子能譜硬、通量高、能量分布范圍廣，次錒系核素(MA)嬗變和長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物(LLFP)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，利用它對(duì)核廢料進(jìn)行嬗變處理，可大幅降低核廢料的放射性危害，實(shí)現(xiàn)核廢料的最小化處置，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)能量放大，提高核資源的利用率[1,2]。2011年，中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)了名為“未來先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”的戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)，目的是通過3個(gè)階段的研發(fā)，自主發(fā)展ADS從試驗(yàn)裝置到示范裝置的全部核心技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)，為保障國(guó)家能源供給和核裂變能長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)[3]。

第I階段將建成包含質(zhì)子加速器、液態(tài)重金屬散裂靶和次臨界反應(yīng)堆的ADS研究裝置。該裝置采用超導(dǎo)加速腔和超導(dǎo)加速磁體的加速器方案。目前，在高穩(wěn)定度強(qiáng)流質(zhì)子源、連續(xù)波質(zhì)子束射頻四極(RFQ)加速器和Spoke超導(dǎo)腔的研發(fā)方面已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。質(zhì)子加速器的一般性能已達(dá)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，部分參數(shù)已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。一種新型流態(tài)固體顆粒靶被發(fā)展為中國(guó)ADS項(xiàng)目的散裂靶[4]，通過固體顆粒的流動(dòng)載熱，可保持較高的質(zhì)子束功率。此外，還同步開展了液態(tài)鉛鉍有窗靶的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作。

中國(guó)科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所?FDS團(tuán)隊(duì)十余年來長(zhǎng)期從事鉛基反應(yīng)堆研究，提出了系列鉛基堆創(chuàng)新概念，包括FDS系列鉛基聚變堆、CLEAR系列鉛基快中子裂變堆、移動(dòng)式小型鉛基堆核電源(“核電寶”)等，其中“麒麟號(hào)”(CLEAR)被選作中國(guó)ADS反應(yīng)堆的堆型[5,6]。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院ADS項(xiàng)目的發(fā)展計(jì)劃，反應(yīng)堆的建設(shè)包括3個(gè)階段，即從研究試驗(yàn)堆CLEAR-I到工程演示堆CLEAR-II，并最終發(fā)展為商用原型堆CLEAR-III。在第I階段，名為“麒麟一號(hào)”(CLEAR-I)的10 MW鉛基研究反應(yīng)堆以鉛鉍合金為冷卻劑，被用于開展ADS鉛基反應(yīng)堆的中子學(xué)、熱工水力學(xué)和安全特性等試驗(yàn)研究。此外，鉛基冷卻反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、控 制技術(shù)以及ADS耦合集成運(yùn)行技術(shù)也將會(huì)在第I階段被驗(yàn)證。

本文對(duì)CLEAR-I反應(yīng)堆進(jìn)行了介紹和說明，并提出了鉛鉍回路、關(guān)鍵組件與技術(shù)、安全分析和環(huán)境影響分析的研發(fā)進(jìn)展。首先，簡(jiǎn)要回顧了作為本次研究基礎(chǔ)的鉛基反應(yīng)堆在世界范圍內(nèi)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀。其次，重點(diǎn)介紹了CLEAR-I的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方案。其關(guān)鍵技術(shù)與CLEAR組件的研發(fā)概括為：①對(duì)多功能鉛鉍堆試驗(yàn)回路平臺(tái)KYLIN-II的材料試驗(yàn)進(jìn)行了論證；②介紹了鉛鉍工藝技術(shù)和燃料組件技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)材料與包殼材料進(jìn)行了兼容性評(píng)估，為CLEAR確定了新的反應(yīng)堆關(guān)鍵組件；③介紹了鉛鉍堆集成試驗(yàn)平臺(tái)，包括鉛基堆零功率物理試驗(yàn)裝置CLEAR-0，鉛基堆液態(tài)重金屬池式集成測(cè)試裝置CLEAR-S和鉛基虛擬反應(yīng)堆系統(tǒng)CLEAR-V。最后，進(jìn)行了安全分析和環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

2.鉛基反應(yīng)堆技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展現(xiàn)狀

鉛基反應(yīng)堆是第四代核能系統(tǒng)的參考堆型之一，也是ADS的首選參考堆型。根據(jù)第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇組織(GIF)最新發(fā)布的“第四代核能系統(tǒng)技術(shù)路線圖”，在所有第四代核能系統(tǒng)中，鉛冷快堆有望成為率先實(shí)現(xiàn)工業(yè)示范和商業(yè)應(yīng)用的核能系統(tǒng)[7]。由于鉛基材料(如鉛鋰合金)包層具有良好的導(dǎo)熱能力、充足的氚增殖比、相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)以及在經(jīng)濟(jì)性和安全性方面的吸引力，使其在國(guó)際上核聚變反應(yīng)堆研究領(lǐng)域備受關(guān)注。

鉛或鉛合金材料對(duì)中子的吸收能力和中子慢化能力弱，因此將其用作冷卻劑的反應(yīng)堆具有良好的核廢料嬗變和核燃料增殖能力。由于鉛基材 料熔點(diǎn)低且沸點(diǎn)高，鉛基反應(yīng)堆可在常壓下運(yùn)行，大大降低了潛在的冷卻劑損失風(fēng)險(xiǎn)(LOCA)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)高熱電轉(zhuǎn)化效率。鉛基材料的化學(xué)穩(wěn)定性高，可排除起火或爆炸等安全問題。同時(shí)，液態(tài)鉛基材料的載熱和自然循環(huán)能力強(qiáng)，可依靠自然循環(huán)排出余熱，大大提高了反應(yīng)堆的非能動(dòng)安全性[8]。因此，在國(guó)際上大 多數(shù)ADS計(jì)劃中均重點(diǎn)考慮將鉛基材料作為反應(yīng)堆冷卻劑。

鑒于鉛基反應(yīng)堆技術(shù)成熟性好、特性優(yōu)良并且在聚變和裂變領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大，國(guó)際上也在積極開展大量的鉛基反應(yīng)堆工程項(xiàng)目，包括俄羅斯的SVBR-100 [9]和BREST-OD-300 [10]項(xiàng)目、比利時(shí)的MYRRHA ADS項(xiàng)目[11]和歐盟的ELFR與ALFRED項(xiàng)目[12]。此外，美國(guó)、日本和韓國(guó)也在積極開展鉛基反應(yīng)堆的關(guān)鍵技術(shù)與模塊化鉛基反應(yīng)堆的應(yīng)用開發(fā)。

3.中國(guó)鉛基研究反應(yīng)堆(CLEAR-I)

3.1.設(shè)計(jì)特點(diǎn)

CLEAR-I是針對(duì)ADS研究的鉛鉍冷卻反應(yīng)堆。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)預(yù)計(jì)分步實(shí)現(xiàn)，如裝載不同類型及不同數(shù)量的燃料或調(diào)節(jié)質(zhì)子束強(qiáng)度，同時(shí)兼顧反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和建造。反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)要遵循技術(shù)可行性、安全可靠性、試驗(yàn)靈活性和技術(shù)延續(xù)性等設(shè)計(jì)技術(shù)原則，主要體現(xiàn)在：

(1) 技術(shù)可行性：采用現(xiàn)有較成熟的材料、核燃料和相關(guān)技術(shù)，降低反應(yīng)堆技術(shù)難度和造價(jià)。

(2) 安全可靠性：由于鉛鉍冷卻劑的中子物理、熱物理和化學(xué)特性，反應(yīng)堆具有負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)和非能動(dòng)余熱排出能力。這些功能可顯著提高反應(yīng)堆的固有安全特性，有效避免類似福島事故的發(fā)生。

(3) 試驗(yàn)靈活性：CLEAR-I的雙操作模式可以確保其在臨界或亞臨界條件下運(yùn)行。遠(yuǎn)程換料系統(tǒng)可確保不同堆芯布置方式和不同燃料種類的靈活性。

(4) 技術(shù)延續(xù)性：UO2是首先被采用的裝載燃料；先進(jìn)的燃料(如混合氧化物、超鈾等)以及次錒系核素(MA)將在后期被檢測(cè)，以驗(yàn)證CLEAR-I的嬗變技術(shù)。

在上述設(shè)計(jì)技術(shù)原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了具有創(chuàng)新型雙操作模式(臨界/次臨界)的CLEAR-I反應(yīng)堆。因此，可在同一裝置上開展ADS耦合測(cè)試和鉛基反應(yīng)堆臨界運(yùn)行研究。目前，CLEAR-I詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，正在開展初步的工程設(shè)計(jì)。由于其獨(dú)特和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，CLEAR-I作為鉛基反應(yīng)堆的參考堆型已被國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)[13]和GIF[7]收錄。

3.2.CLEAR-I設(shè)計(jì)方案描述

CLEAR-I的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖1為CLEAR-I反應(yīng)堆的整體三維視圖。圖2展示了CLEAR-I的堆芯由內(nèi)及外分別有燃料組件、屏蔽層組件和反射層組件，并且在特定位置設(shè)置有8根控制棒。其中，每個(gè)燃料組件由裝入六角形外套管中的61根燃料棒束構(gòu)成，并采用螺旋繞線固定。為確保燃料組件的穩(wěn)定性，利用凸臺(tái)實(shí)現(xiàn)水平約束，通過配重實(shí)現(xiàn)豎直約束。堆芯裝載有86盒燃料組件，其活性區(qū)的高度為800 mm，直徑為1230 mm。如圖2所示，堆芯設(shè)計(jì)了臨界/次臨界雙運(yùn)行模式。臨界模式中的初始耦合系數(shù)在初始運(yùn)行時(shí)為1.016，在運(yùn)行十年后，降到1.008，平均燃耗為每千克鈾10.195 MWd。應(yīng)用SuperMC程序進(jìn)行堆芯中子學(xué)分析[14]，結(jié)果顯示，在運(yùn)行中溫度系數(shù)和膨脹系數(shù)等反應(yīng)性系數(shù)均為負(fù)值。堆芯反應(yīng)性在運(yùn)行過程中由兩套獨(dú)立控制系統(tǒng)控制，每套控制系統(tǒng)都滿足卡棒準(zhǔn)則并且能夠保證安 全停堆。

表1 CLEAR-I主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1.CLEAR-I反應(yīng)堆三維視圖。

一回路冷卻系統(tǒng)采用池式布局，鉛鉍從堆芯向上流動(dòng)匯入熱池，經(jīng)換熱器冷卻后，向下流動(dòng)進(jìn)入冷池，并由主泵推送，通過分配聯(lián)箱進(jìn)入堆芯形成循環(huán)。一回路系統(tǒng)的壓力為微負(fù)壓，由上部惰性覆蓋氣體維持。冷卻劑的馴化由2臺(tái)機(jī)械泵驅(qū)動(dòng)，4臺(tái)換熱器直接浸 沒在反應(yīng)池中。反應(yīng)堆容器是一回路系統(tǒng)的邊界，采用雙層池式結(jié)構(gòu)和吊式支撐。二回路冷卻劑為高壓液態(tài)水，其在換熱器進(jìn)出口的溫度分別為250 °C和270 °C。共有兩個(gè)獨(dú)立的二回路冷卻系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)與兩個(gè)換熱器相連。最終的熱阱為空冷器。

主泵采用軸封式機(jī)械泵，冷卻劑入口被布置在冷池低壓腔室內(nèi)，出口則通過管道連接到冷池高壓腔室。主換熱器采用雙壁夾層刺刀管式管殼型換熱器，被立式布置在主容器內(nèi)。其入口位于熱池內(nèi)，出口位于 冷池內(nèi)?？刂瓢趄?qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了兩套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)原理，可保證事故情況下反應(yīng)堆的安全。反應(yīng)堆容器內(nèi)的燃料處理系統(tǒng)由雙旋轉(zhuǎn)插頭、換料機(jī)和轉(zhuǎn)子升降機(jī)構(gòu)成。分體式中心測(cè)量柱的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)換料機(jī)的堆內(nèi)全堆芯換料，解決了因加速器束流管道的引入而導(dǎo)致的燃料組件自動(dòng)裝卸等難題。

4.關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵組件的研發(fā)

結(jié)合CLEAR-I的工程化技術(shù)需求與未來鉛基反應(yīng)堆的發(fā)展目標(biāo)，重點(diǎn)圍繞反應(yīng)堆冷卻劑技術(shù)、關(guān)鍵組件、結(jié)構(gòu)材料與燃料、反應(yīng)堆運(yùn)行與控制技術(shù)等開展研發(fā)工作。目前，已建成了KYLIN系列鉛鉍試驗(yàn)回路，可開展結(jié)構(gòu)材料腐蝕試驗(yàn)、反應(yīng)堆熱工流體測(cè)試和冷卻劑事故安全試驗(yàn)。用于原理驗(yàn)證的主泵、換熱器、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和換料系統(tǒng)等關(guān)鍵組件已經(jīng)被建造和測(cè)試。為全面驗(yàn)證和測(cè)試關(guān)鍵組件的原理 樣機(jī)以及鉛基反應(yīng)堆的集成操作技術(shù)，目前正在建設(shè)鉛 合金冷卻非核反應(yīng)堆CLEAR-S、鉛基零功率核反應(yīng)堆CLEAR-0和鉛基虛擬反應(yīng)堆CLEAR-V。

圖2.臨界運(yùn)行模式堆芯布局圖。

4.1.多功 能鉛鉍堆試驗(yàn)回路平臺(tái)——KYLIN-II

KYLIN-II是一個(gè)多功能鉛鉍堆試驗(yàn)回路平臺(tái)，如圖3，主要由材料回路、熱工回路和安全回路這三個(gè)獨(dú)立的回路平臺(tái)組成。KYLIN-II的目標(biāo)是開展冷卻劑工藝技術(shù)測(cè)試、結(jié)構(gòu)材料腐蝕試驗(yàn)、燃料組件熱工水力學(xué)與傳熱研究、強(qiáng)迫與自然循環(huán)試驗(yàn)、組件原理樣機(jī)驗(yàn)證試驗(yàn)和換熱器破口事故安全試驗(yàn)。材料回路的最高溫度為1100 °C，樣品表面最高流速為10 m·s-1。熱工回路的高度為13 m，設(shè)有61根電加熱棒的燃料組件模擬器用以開展燃料組件的熱 工水力學(xué)與傳熱研究及自然循環(huán)試驗(yàn)。安全回路具備開展最高壓力和最高溫度分別為25 MPa和550 °C的換熱器破口事故安全試驗(yàn)與程序驗(yàn)證的能力。

4.2.關(guān)鍵技術(shù)與組件

4.2.1.鉛鉍工藝技術(shù)

由于鉛鉍雜質(zhì)會(huì)影響燃料棒和換熱器的傳熱性能、加重結(jié)構(gòu)材料和包殼的腐蝕和堵塞換熱器流道及管道，因此鉛鉍成分的控制對(duì)反應(yīng)堆的安全及穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，是鉛基堆核心技術(shù)之一。為將冷卻劑的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化，提出了鉛鉍合金的成分標(biāo)準(zhǔn)，并以此標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)開發(fā)了鉛鉍合金的電磁感應(yīng)熔煉制備工藝。此外，還為鉛鉍的在線純化研發(fā)了冷阱和磁阱，并為放射性元素210Po的純化開展了不銹鋼與新型石墨烯復(fù)合材料的研究。多套氧氣控制系統(tǒng)和氧氣傳感器被成功研制，并在KYLIN-II材料回路中穩(wěn)定運(yùn)行超過6000 h，如圖4所示，其中電動(dòng)勢(shì)為帶有原電池的電化學(xué)氧氣傳感器的電壓。高溫液態(tài)鉛鉍合金中的氧氣濃度被穩(wěn)定控制在10-8wt%～10-6wt%范圍內(nèi)。自主研發(fā)的氧氣傳感器解決了傳感器高溫密封和異種材料連接的問題，測(cè)量誤差小于±5 mV，精確度及可靠性可達(dá)到國(guó)際同類裝置的最高水平。

圖3.多功能鉛鉍堆試驗(yàn)回路平臺(tái)——KYLIN-II。

4.2.2.結(jié)構(gòu)材料與包殼材料的兼容性評(píng)估

為調(diào)查和解決鉛基反應(yīng)堆中材料的高溫腐蝕及液態(tài)金屬脆化等兼容性問題，開展了一系列與鉛基反應(yīng)堆材料兼容性相關(guān)的設(shè)備研發(fā)和機(jī)械性能測(cè)試。在不同的氧氣濃度下，對(duì)候選結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，以確定CLEAR-I最佳運(yùn)行工況時(shí)鉛鉍中的最佳氧氣濃度范圍。在低氧濃度下，可觀察到嚴(yán)重的熔解腐蝕；在相對(duì)較高的氧氣濃度下，鋼表面形成的保護(hù)性氧化物可提高其抗腐蝕性。為確定CLEAR-I工程應(yīng)用中的腐蝕裕量，在溶解氧濃度為1×10-6wt%～3×10-6wt%的條件 下，開展了長(zhǎng)期的腐蝕試驗(yàn)。此外，已經(jīng)研制了一系列具有氧氣控制功能的機(jī)械測(cè)試(如拉伸、蠕變及疲勞測(cè)試等)組件，并且相應(yīng)的試驗(yàn)也正在進(jìn)行中。

圖4.(a) 鉛鉍回路中的穩(wěn)定氧控；(b) 氧氣傳感器的精確性測(cè)試。

圖5 為氧濃度分別是10-4wt%, 10-6wt%和10-8wt%，溫度為500 °C條件下靜態(tài)鉛鉍中316L型不銹鋼被腐蝕后的橫截面外觀。圖6(a)為5000 h腐蝕試驗(yàn)后T91鋼樣品的橫截面外觀，圖6(b)為腐蝕界面氧化物生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)曲線?？梢钥闯?，腐蝕界面由外向內(nèi)呈現(xiàn)出一個(gè)由Fe3O4磁鐵層、Fe-Cr尖晶石氧化層以及內(nèi)氧化層組成的有多層氧化膜結(jié)構(gòu)。

4.2.3.燃料組件技術(shù)

針對(duì)CLEAR-I燃料組件技術(shù)發(fā)展的需求，目前已經(jīng)研制了燃料包殼管和六角形外套管，如圖7所示。除了開展在液態(tài)鉛鉍環(huán)境下包殼管的腐蝕及機(jī)械性能試驗(yàn)，還要進(jìn)行液態(tài)鉛鉍腐蝕與中子輻照間協(xié)同作用的試驗(yàn)。關(guān)鍵的制造技術(shù)以及燃料組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)被掌握，并加工了一系列模擬組件以驗(yàn)證組件的水力學(xué)、傳熱和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特征。此外，還獲得了一系列可被用于燃料組件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的試驗(yàn)結(jié)果。

4.2.4.堆內(nèi)關(guān)鍵組件

CLEAR-I的主泵為立式液下機(jī)械泵。軸承采用上下兩端支撐的方式。在主泵葉輪的出口處，鉛鉍的最高速度可達(dá)10 m·s-1。高速的液態(tài)鉛鉍會(huì)造成葉輪材料腐蝕的加重。因此，陶瓷材料和不銹鋼涂層技術(shù)被提出。目前已完成了對(duì)臥式機(jī)械泵原理樣機(jī)的研發(fā)，并在KYLIN-II回路中進(jìn)行了初步測(cè)試。后續(xù)將利用池式集成測(cè)試平臺(tái)對(duì)其完成在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)條件下的性能測(cè)試。

圖5.不同氧濃度下靜態(tài)鉛鉍中316L型不銹鋼的橫截面外觀。(a) 10-4wt %; (b) 10-6wt %; (c) 10-8wt %。

圖6.(a) 5000 h腐蝕試驗(yàn)后T91鋼樣品的橫截面外觀；(b) 腐蝕界面氧化物生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)曲線。

圖7.(a) 水力學(xué)測(cè)試模擬組件；(b) 傳熱測(cè)試模擬組件；(c) 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性測(cè)試模擬組件。

CLEAR-I的主換熱器被直接安置于反應(yīng)堆堆池內(nèi)。為降低換熱管破口事故概率、緩解事故后果，采用了具有雙壁管刺刀式管束結(jié)構(gòu)的主換熱器，避免了換熱管兩側(cè)介質(zhì)的 直接接觸。目前已完成了對(duì)換熱器原理樣機(jī)的研制，并成功地在KYLIN-II回路中進(jìn)行了測(cè)試。此外，雙壁換熱管的工藝技術(shù)已被驗(yàn)證，并對(duì)其傳熱性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。下一步將會(huì)開展全尺寸主換熱器樣機(jī)的研制工作，以期對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)、性能以及維護(hù)技術(shù)進(jìn)行全面的測(cè)試。

控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是CLEAR-I的關(guān)鍵安全組件。為驗(yàn)證其可行性、性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成了對(duì)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)的研制，如圖8(a)所示?；谠撛順訖C(jī)，在室溫下進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，驗(yàn)證了其棒位運(yùn)動(dòng)性能、落棒性能、電機(jī)適用性和抓手部件適用性等。此外，針對(duì)高溫、高輻照的堆內(nèi)環(huán)境，進(jìn)行了機(jī)械傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和棒位的連續(xù)測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)在高密度條件下鉛鉍冷卻劑的快速落棒，并避免由鉛蒸汽擴(kuò)散凝結(jié)而導(dǎo)致的卡棒，開展了配重以及蒸汽密封的研究。目前，正在進(jìn)行的鉛鉍環(huán)境中控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驗(yàn)證裝置的研制將為鉛基反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供直接的依據(jù)。

根據(jù)反應(yīng)堆容器 內(nèi)燃料處理系統(tǒng)的特征完成了對(duì)系統(tǒng)原理樣機(jī)的研制，如圖8(b)所示，并設(shè)計(jì)了雙螺旋插頭和分體式中心測(cè)量柱?；趯?duì)原理樣機(jī)的模擬分析和試 驗(yàn)驗(yàn)證，證明了反應(yīng)堆容器內(nèi)燃料處理系統(tǒng)的雙螺旋插頭的合理性和可行性。相應(yīng)地，鉛鉍環(huán)境下的全尺寸堆內(nèi)換料系統(tǒng)工程樣機(jī)的驗(yàn)證裝置也正在被研制，以驗(yàn)證滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制技術(shù)及檢測(cè)技術(shù)等堆內(nèi)換料系統(tǒng)要求的所有特性。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，可找到解決換料系統(tǒng)技術(shù)難題的方法。工程樣機(jī)的性能測(cè)試將分別在冷空氣和熱鉛鉍環(huán)境中進(jìn)行。

圖8.(a) 控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理樣機(jī)；(b) 換料系統(tǒng)原理樣機(jī)。

4.3.鉛鉍堆集成試驗(yàn)平臺(tái)

在上述單項(xiàng)工程技術(shù)測(cè)試與組件原理樣機(jī)研發(fā)的基礎(chǔ)上，針對(duì)CLEAR-I關(guān)鍵組件與關(guān)鍵技術(shù)的集成測(cè)試需求，正在開展鉛合金冷卻非核反應(yīng)堆CLEAR-S、鉛基零功率核反應(yīng)堆CLEAR-0和鉛基虛擬反應(yīng)堆CLEAR-V的研發(fā)建造工作，如圖9所示。

CLEAR-S是一個(gè)液態(tài)重金屬池式集成測(cè)試裝置，有7盒模擬燃料組件，每盒組件有61根電加熱棒，這與CLEAR-I每盒組件的棒數(shù)一致。此外，在堆池中還布置有1臺(tái)主換熱器原理樣機(jī)、1臺(tái)主泵原理樣機(jī)、支撐組件、冷熱池分隔組件等堆內(nèi)組件，主要參數(shù)見表2。CLEAR-S主要被用于開展堆芯傳熱與流量分配、換熱器原理樣機(jī)與主泵原理樣機(jī)、余熱排出技術(shù)、反應(yīng)堆堆容器空氣冷卻系統(tǒng)(RVACS)和池式鉛鉍工藝技術(shù)的測(cè)試，以及運(yùn)行與調(diào)試技術(shù)的驗(yàn)證。此外，還可以開展包括強(qiáng)迫或自然循環(huán)、冷卻劑混合、熱分層和瞬態(tài)安全等液態(tài)重金屬池式熱工水力學(xué)研究，以驗(yàn)證熱工水力學(xué)設(shè)計(jì)與安全分析程序，支持CLEAR-I的許可證申請(qǐng)。

圖9.(a) 鉛合金冷卻非核反應(yīng)堆CLEAR-S；(b) 鉛基零功率核反應(yīng)堆CLEAR-0；(c) 鉛基虛擬反應(yīng)堆CLEAR-V。

表2 CLEAR-S的設(shè)計(jì)參數(shù)

CLEAR-0具有與CLEAR-I相同 的燃料類型、冷卻劑及堆芯布置，因此其中子通量分布與能譜結(jié)構(gòu)也與CLEAR-I一致。CLEAR-0的目標(biāo)是開展臨界質(zhì)量、中子流密度、中子能譜、空泡效應(yīng)的控制棒價(jià)值的測(cè)量等堆芯特征試驗(yàn)，以驗(yàn)證CLEAR-I核設(shè)計(jì)中使用的計(jì)算方法、程序及數(shù)據(jù)庫，并且支持安全分析和許可證獲取。目前已完成了對(duì)CLEAR-0的工程設(shè)計(jì)，正在開展關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作。此外，還研發(fā)了可以與CLEAR-0耦合來驗(yàn)證ADS中子物理和控制技術(shù)的高強(qiáng)度氘-氚聚變中子發(fā)生器(HINEG)。HINEG也是核安全與核技術(shù)研發(fā)的重要中子學(xué)試驗(yàn)平臺(tái)，包括中子學(xué)方法和軟件、輻射防護(hù)、材料活化、輻照損傷以及組件中子學(xué)性能的驗(yàn)證。HINEG-I于2015年12月建成并開始調(diào)試，強(qiáng)度為1.1×1012n·s-1。

為滿足CLEAR-I的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、建造和運(yùn)行工作的要求，已經(jīng)開發(fā)了基于數(shù)字社會(huì)(Virtual4DS)系統(tǒng)的虛擬核電站CLEAR-V，并將很快被建成。CLEAR-V包括中子物理、輻射屏蔽、熱工水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、安全與環(huán)境影響的分析模型。該模型可被用于支持鉛基反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)與安全評(píng)估，檢驗(yàn)各子系統(tǒng)瞬態(tài)耦合的一致性，并為反應(yīng)堆優(yōu)化提供修正方案。因此，它能夠有效防止在不同的設(shè)計(jì)階段由于動(dòng)態(tài)耦合失效而導(dǎo)致的重大問題。此外，CLEAR-V還可以作為全范圍訓(xùn)練模擬器被用于操作員培訓(xùn)。

5. 安全分析與環(huán)境影響評(píng)價(jià)

為更加有效地進(jìn)行反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和安全分析并滿足設(shè)計(jì)驗(yàn)證的要求，研發(fā)了包括中子物理學(xué)、熱工水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、事故分析、環(huán)境影響評(píng)價(jià)和輻射屏蔽在內(nèi)的20余款設(shè)計(jì)分析程序。一些程序，如超級(jí)蒙特卡洛和計(jì)算仿真軟件(SuperMC)、中子學(xué)與熱工水力學(xué)耦合瞬態(tài)安全分析軟件(NTC)和概率安全/可靠性分析軟件(RiskA)等，完全被自主研發(fā)。對(duì)核設(shè)計(jì)程序、熱工水力學(xué)設(shè)計(jì)程序和安全分析程序等軟件的代碼驗(yàn)證和核查工作正在全面開展，采用了包括內(nèi)部活動(dòng)和國(guó)際合作活動(dòng)(如IAEA和經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(OECD)核能源機(jī)構(gòu)(NAE)進(jìn)行的基準(zhǔn)測(cè)試)在內(nèi)的不同方法。核設(shè)計(jì)程序SuperMC已滿足IAEA國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)案例的基準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果及其他代碼匹配良好。更加全面的基準(zhǔn)將通過CLEAR-0試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。由KYLIN-II熱工水力學(xué)回路和OECD/NEA鉛合金冷卻先進(jìn)核能系統(tǒng)基準(zhǔn)活動(dòng)得到的結(jié)果已經(jīng)被用于驗(yàn)證模擬燃料流動(dòng)、傳熱以及自然循環(huán)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)分析程序。此外，池式系統(tǒng)的模擬能力將被CLEAR-S和其他池式試驗(yàn)組件驗(yàn)證。KYLIN-II安全回路中的換熱管破裂試驗(yàn)的結(jié)果將被用于NTC程序的驗(yàn)證。

此外，基于當(dāng)前的CLEAR-I設(shè)計(jì)方案，開展了系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)、事故分析與環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。GIF推薦的綜合安全評(píng)價(jià)方法(ISAM)被用于系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)。多種模擬程序，如反應(yīng)堆偏移和泄漏分析系統(tǒng)(RELAP)、NTC和FLUENT被用于分析全堆芯瞬態(tài)、堵流、主換熱器破口、外源中子波動(dòng)以及放射性釋放事故的影響。計(jì)算結(jié)果表明，在已考慮的所有事故條件下，場(chǎng)外放射性物質(zhì)的釋放都小于限值，并具有較大的安全裕度，證明了設(shè) 計(jì)的固有安全性和專設(shè)安全設(shè)施的有效性。另外，基于事故模擬，開展了一級(jí)概率安全評(píng)價(jià)分析，分析結(jié)果為設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)的優(yōu)化提供了參考數(shù)據(jù)。

由于缺乏與鉛基反應(yīng)堆相關(guān)的法規(guī)，GIF與國(guó)際相關(guān)單位聯(lián)合開展了鉛基反應(yīng)堆標(biāo)準(zhǔn)與許可證技術(shù)的研究，共同撰寫并發(fā)布了鉛基反應(yīng)堆安全白皮書。同時(shí)，針對(duì)CLEAR-I的設(shè)計(jì)方案建立了完整的CLEAR-I設(shè)計(jì)準(zhǔn)則體系，為未來的安全評(píng)審工作奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

6.結(jié)論

2011年，在中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來先進(jìn)核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”等項(xiàng)目的支持下，在深入分析國(guó)際上ADS反應(yīng)堆及鉛基反應(yīng)堆發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了鉛鉍冷卻的臨界/次臨界雙模式運(yùn)行的中國(guó)鉛基研究反應(yīng)堆“麒麟一號(hào)”(CLEAR-I)。目前，CLEAR-I詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，正在全面開展初步的工程設(shè)計(jì)。CLEAR-I的設(shè)計(jì)方案被IAEA和GIF選為參考反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。大型鉛鉍試驗(yàn)回路KYLIN-II已被建造，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)材料腐蝕試驗(yàn)、熱工水力學(xué)試驗(yàn)以及安全試驗(yàn)。主泵、換熱器、控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和換料系統(tǒng)等關(guān)鍵組件也已經(jīng)被建造，并完成了對(duì)原理樣機(jī)的測(cè)試。為驗(yàn)證和測(cè)試鉛基反應(yīng)堆的關(guān)鍵組件和集成操作技術(shù)，包括CLEAR-S、CLEAR-0和CLEAR-V在內(nèi)的一系列集成測(cè)試組件正在被建設(shè)。完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析方案，并且建立了CLEAR-I固有安全特性的安全分析。除此之外，針對(duì)鉛基反應(yīng)堆的研發(fā)，制定了一整套在時(shí)間上覆蓋近、中、遠(yuǎn)期的發(fā)展方案，包括核廢料嬗變、核燃料增殖及能量生產(chǎn)，形成了裂變與聚變技術(shù)相互支撐、相互促進(jìn)的優(yōu)良發(fā)展模式，通過不同鉛基材料之間的技術(shù)共享，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的科研投資效率，為中國(guó)能源安全和世界核能可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

致謝

本工作得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA03040000)和中國(guó)國(guó)家磁約束核聚變能源發(fā)展研究專項(xiàng)(2014GB112000)的支持與資助。感謝FDS團(tuán)隊(duì)的其他成員為本工作提供的支持與幫助。

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS.Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

英文原文: Engineering 2016, 2(1): 124—131

Yican Wu.Design and R&D Progress of China Lead-Based Reactor for ADS Research Facility.Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.01.023

中國(guó)鉛基反應(yīng)堆

鉛鉍共晶

技術(shù)研發(fā)進(jìn)展