西安交通大学1896XIANJIAOTONGUNIVERSITY液态金属冷却快堆热工安全研究进展核反应堆热工水力研究室（NuTHeL)2021年05月
液态金属冷却快堆热工安全研究进展 核反应堆热工水力研究室（NuTHeL） 2021年05月
目录2/501液态金属冷却快堆研究概述LMFR关键热工安全问题3西安交大LMFR研究工作结束语
2/50 1 液态金属冷却快堆研究概述 2 LMFR关键热工安全问题 3 西安交大LMFR研究工作 目录 4 结束语
1.1液态金属冷却快堆LMFR研究背景3/50I液态金属冷却快堆，具有高温、低压、热效率高、核燃料增殖和核废料变能力强等优势，是第四代核反应堆的主力堆型嬉变长寿命放射性废物有效提高轴资源利用率乏燃料的危击水平中国的核燃料使用年限快堆由50年提高到3000年1000分南转中一次通过0000010分离共中的PUIEMA时间/年潜在的军事用途核潜艇/航母长寿期空间电源小型移动核电源
1.1 液态金属冷却快堆LMFR研究背景 3/50 液态金属冷却快堆，具有高温、低压、热效率高、核燃料增殖 和核废料嬗变能力强等优势，是第四代核反应堆的主力堆型。 快堆 有效提高铀资源利用率 嬗变长寿命放射性废物 潜在的军事用途 核潜艇/航母 长寿期空间电源 中国的核燃料使用年限 由50年提高到3000年。 小型移动核电源
1.2液态金属冷却快堆LMFR应用前景4/50能源：第四代核电/聚变堆/聚变裂变混合堆等钠冷/铅冷快堆是6种四代参考堆型促进聚变、聚变裂变混合堆发展（液态金属包层、材料辐战略资源：同位素生产Pu及聚变试验堆启动用氙（工程试验堆~10公斤级）其他放射性同位素>国防：船用/艇用动力续航能力强，推进功率大，占空间小，噪音低（潜艇）铅合金堆已应用于破冰船、潜艇等新技术应用：制氢/海水淡化等氢是清洁能源，未来市场潜力巨大世界淡水需求缺口～2000亿/每年，我国人均仅为世界人均的1/4
1.2 液态金属冷却快堆LMFR应用前景 4/50 ➢ 能源：第四代核电/聚变堆/聚变裂变混合堆等 钠冷/铅冷快堆是6种四代参考堆型 促进聚变、聚变裂变混合堆发展（液态金属包层、材料辐照等） ➢ 战略资源：同位素生产 Pu及聚变试验堆启动用氚（工程试验堆~10公斤级） 其他放射性同位素 ➢ 国防：船用/艇用动力 续航能力强，推进功率大，占空间小，噪音低(潜艇) 铅合金堆已应用于破冰船、潜艇等 ➢ 新技术应用：制氢/海水淡化等 氢是清洁能源，未来市场潜力巨大 世界淡水需求缺口~2000亿/每年，我国人均仅为世界人均的1/4
1.3液态金属冷却快堆LMFR的优势5/50ILMFR在安全性经济性等方面具有显著优势比热容大中子吸收/慢化能力弱载热能力强中子经济性好，核废料婚变允许堆芯较大栅距，有利于自然循环建立核核燃料增殖能力高有利于微小型反应堆研发池式设计熔点低、沸点高运行经验丰富反应堆低压运行，可获得高系统更加紧凑出口温度，兼顾热电效率；反应堆自屏蔽能力强严重事故下防止堆芯出现空泡，安全性高
1.3 液态金属冷却快堆LMFR的优势 5/50 LMFR在安全性、经济性等方面具有显著优势 中子经济性好，核废料嬗变 核核燃料增殖能力高 中子吸收/慢化能力弱 反应堆低压运行，可获得高 出口温度，兼顾热电效率； 严重事故下防止堆芯出现空 泡，安全性高 熔点低、沸点高 允许堆芯较大栅距，有利于自 然循环建立 有利于微小型反应堆研发 载热能力强、比热容大 系统更加紧凑 反应堆自屏蔽能力强 池式设计 运行经验丰富
1.4典型LMFR冷却剂对比6/50铅基冷却剂与液态金属钠各有优劣铅基冷却剂液态金属钠化学情性：固有安全性高化学性质化学性质活泼沸点沸点较高：存在沸腾可能沸点极高：无沸腾风险大密度密度小密度：驱动能力要求较低腐蚀性、Po210：瓶颈性难题其他特征相对熔点较低，传热性能较好典型铅基合金铅铋合金LBE铅锂合金PbLi铅镁合金LBE44.5/55.5wt%99.32/0.68wt%97.5/2.5wt%
1.4 典型LMFR冷却剂对比 6/50 铅基冷却剂与液态金属钠各有优劣 铅锂合金PbLi 99.32/0.68wt% 铅铋合金LBE 44.5/55.5wt% 铅镁合金LBE 97.5/2.5wt% 典型铅基合金 铅基冷却剂 液态金属钠 化学惰性：固有安全性高 化学性质 化学性质活泼 沸点极高：无沸腾风险 沸点 沸点较高：存在沸腾可能 大密度 密度 小密度：驱动能力要求较低 腐蚀性、Po210：瓶颈性难题 其他特征 相对熔点较低，传热性能较好
1.4典型LMFR冷却剂对比7/50水液态钠液态铅铋冷却剂(15MPa,300C)(0.1MPa,400C)(0.1MPa,400C)273熔点/K370.98397.7854密度/kgm-3725.55102054.21.2730.144比热/kJ·kg-1.K热导率/W·m-1.K-10.558971.1113.03粘性系数/×100.12170.330.15156m2.s-16151943沸点/K1156.12液态金属热物性与其他冷却剂物性差异巨大，以及池式结构布局等特点，给反应堆的设计带来新的挑战
7/50 冷却剂 水 （15MPa, 300℃） 液态钠 （0.1MPa, 400℃） 液态铅铋 （0.1MPa, 400℃） 熔点/K 273 370.98 397.7 密度/kg·m-3 725.55 854 10205 比热/ kJ·kg-1·K 4.2 1.273 0.144 热导率/W·m-1·K-1 0.5589 71.11 13.03 粘性系数/×10- 6m2·s-1 0.1217 0.33 0.1515 沸点/K 615 1156.12 1943 液态金属热物性与其他冷却剂物性差异巨大，以及池式结 构布局等特点，给反应堆的设计带来新的挑战 1.4 典型LMFR冷却剂对比
目录8/501液态金属冷却快堆研究概述LMFR关键热工安全问题23西安交大LMFR研究工作结束语
8/50 1 液态金属冷却快堆研究概述 2 LMFR关键热工安全问题 3 西安交大LMFR研究工作 目录 4 结束语
2.LMFR关键热工安全问题9/502冷却剂热工水力特性堆芯/组件热工水力特性>堵流事故局限于单盒组件入口堵7液态金属流动换热特性具有特流，缺少中间堵流及多组件堵流殊性分析V格架或绕丝固定棒束实验数据安全分析中必须考虑盒间流影响，很少；盒间流特性需要进一步研究瑞流模型对比、扩展及改进，但缺乏验证；LMFR关键热工安全问题>堆池内结构特殊，导致热工水力>LFR在自然循环方面具有巨大优现象复杂势;>以机理研究为主：射流和夹带系统程序验证工作开展较少，V>LFR蒸汽发生器传热管破裂宜局限于欧盟地区：（SGTR）现象需要重点关注多物理场、多维度耦合系统分析是未来发展趋势；堆池热工水力现象研究LMFR系统热工水力研究4
2. LMFR关键热工安全问题 9/50 LMFR关键 热工安全问题 1 堆池热工水力现象研究 ➢ 堆池内结构特殊，导致热工水力 现象复杂 ➢ 以机理研究为主：射流和夹带 ➢ LFR蒸汽发生器传热管破裂 （SGTR）现象需要重点关注 堆芯 2 /组件热工水力特性 ➢ 堵流事故局限于单盒组件入口堵 流，缺少中间堵流及多组件堵流 分析 ➢ 安全分析中必须考虑盒间流影响， 盒间流特性需要进一步研究 LMFR系统热工水力研究 4 ➢ LFR在自然循环方面具有巨大优 势； ➢ 系统程序验证工作开展较少， 且局限于欧盟地区； ➢ 多物理场、多维度耦合系统分 析是未来发展趋势； 3 冷却剂热工水力特性 ➢ 液态金属流动换热特性具有特 殊性 ➢ 格架或绕丝固定棒束实验数据 很少； ➢ 湍流模型对比、扩展及改进， 但缺乏验证；
2.1LMFR冷却剂的热工水力特性研究10/50冷却剂热工水力特性是核反应堆热工水力分析的基础液态金属具有特殊的物理化学性质流动换热模型上也区别于常规流体换热模型换热机理差异，导热占主要作用，常VS低Pr数液态金属常规流体规流体换热模型不再适用大密度、高粘度、物性随温度变化趋势不同铅铋合金VS碱金属换热模型不完全通用，碱金属略强于铅铋合金流动模型液态金属与常规流体相似，可采用水的摩擦系数关系式计算铅铋合金实验水摩擦系数模型Cheng-TodreasTHEADES19棒束实验ENEA19棒束实验Novendstern
10/50 液态金属 常规流体 低Pr数 换热机理差异，导热占主要作用，常 规流体换热模型不再适用 铅铋合金 碱金属 大密度、高粘度、物性随温度变化趋势不同 换热模型不完全通用，碱金属略强于铅铋合金 冷却剂热工水力特性是核反应堆热工水力分析的基础，液态金属具有特 殊的物理化学性质，流动换热模型上也区别于常规流体 流动模型 液态金属与常规流体相似，可采用水的摩擦系数关系式计算 铅铋合金实验 水摩擦系数模型 THEADES 19棒束实验 Cheng–Todreas ENEA 19棒束实验 Novendstern 换热模型 2.1 LMFR冷却剂的热工水力特性研究