CFR-1500 池式钠冷快堆 · 概念设计文件

第 1 章

总体方案与主要参数

CFR-1500 为中等功率池式钠冷快堆概念设计。全部一回路设备（堆芯、主泵、中间热交换器、堆内贮存格架、换料机构下部结构）浸没于常压钠池内，一回路无高压管道、无大破口失冷可能；采用轴向非均匀堆芯（上部钠腔）压低钠空泡价值；两套物理上独立的停堆系统，其中一套配自持式停堆装置；换料采用双偏心旋塞 + 直提式换料机，全过程在钠液面以下进行。

1.1设计特征

固有安全特征

常压回路：钠在 1 atm 附近运行，沸点 883 °C，峰值钠温 590 °C ⇒ 沸腾裕量 > 290 K；无相变、无失压事故。
大热惯量：主容器 780 t 钠，堆芯功率突然失去排热时的温升速率约 0.9 K/s，为操作/非能动系统留出分钟级时间。
负多普勒：K_D = −0.0055（Δρ = K_D·ln(T₂/T₁)），机理见第 4 章在线计算。
轴向非均匀堆芯：活性区上方 250 mm 钠腔 + B₄C 顶板，使全堆芯钠空泡价值由约 +1150 pcm 降至 −100 pcm（±250 pcm）。
自持式停堆装置（SASS）：居里点合金衔铁，钠出口温度达 700 °C 自动失磁脱扣，不依赖电源与信号。

系统构型选择及理由

池式 vs 回路式：池式取消一回路主管道，消除堆芯裸露路径；代价是主容器直径大（Φ12.6 m）、堆内检修可达性差。本设计取池式。
中间回路：设二回路钠，把带放射性的一回路钠（²⁴Na, T_1/2=14.96 h）与蒸汽隔离；钠水反应被限制在非放射性边界内。
三回路水/蒸汽：14.0 MPa / 490 °C 过热蒸汽，无再热，回热 4 级；净效率 38.3%。
换料方案：双偏心旋塞 + 直提式换料机（在钠下换料）。相比"堆外单组件转运"方案，减少了组件裸露与钠着火风险。

1.2主要设计参数

表 1-1　总体与热工参数 *热平衡在第 8 章闭合校核*
参数	数值	单位	说明 / 取值依据
总体
反应堆热功率	1500	MW_t	设计基准功率（100% FP）
汽轮发电机毛出力	607	MW_e	η_毛 = 40.5%
厂用电	32	MW_e	含主泵 7.8、二回路泵 4.2、给水泵 10.8 MW
净电功率 / 净效率	575 / 38.3	MW_e / %	—
设计寿期 / 负荷因子	60 / 0.85	a / —	主容器不可更换，按 60 a 中子/热老化设计

一回路（池式）
堆芯入口 / 出口钠温	395 / 545	°C	ΔT = 150 K
一回路钠总流量	7 874	kg/s	= P /(c_pΔT)，c_p = 1 270 J/(kg·K)
主泵台数 / 单台流量	3 / 2 625	台 / kg/s	立式机械离心泵，浸没于冷池
主泵扬程 / 轴功率	0.66 / 2.6	MPa / MW	堆芯压降 0.45 MPa 为主要份额；3 台合计 7.8 MW
中间热交换器台数	6	台	壳管式、逆流、每台 250 MW_t
主容器内径 × 高	12.6 × 14.2	m	316LN，壁厚 50 mm；保护容器 Φ13.4 m
主容器钠装量 / 冷池钠深	780 / 9.0	t / m	自格栅板上表面起算；热池液位高 1.0 m
覆盖气体	Ar, +20	— / kPa(g)	微正压，O₂ < 50 ppm，H₂O < 20 ppm

二回路（中间钠回路）
环路数	3	—	每环路 500 MW_t，2 台 IHX + 1 台 SG
IHX 入口 / 出口钠温	320 / 505	°C	ΔT = 185 K（IHX 端差 40 K）
二回路钠总流量	6 320	kg/s	c_p = 1 283 J/(kg·K)
二回路钠装量	3 × 130	t	含膨胀箱、事故排放箱

三回路（水/蒸汽）
主蒸汽压力 / 温度	14.0 / 490	MPa / °C	直流式钠-水蒸汽发生器出口
主蒸汽流量	658	kg/s	Δh = 2 280 kJ/kg
给水温度 / 凝汽压力	240 / 5.5	°C / kPa	4 级抽汽回热 + 除氧器
SG 台数 / 单台传热面积	3 / 2 900	台 / m²	螺旋管束，Grade 91 钢管 Φ20×3
c_p 取回路平均温度下的液钠定压比热；钠密度取 850 kg/m³（≈400 °C）。全部导出量的闭合校核见表 8-1。

表 1-2　堆芯与燃料参数
参数	数值	单位	说明
燃料	MOX	—	(U,Pu)O₂，芯块密度 95% TD
Pu 富集度（内区 / 外区）	19.5 / 24.5	%	Pu/(Pu+U)，两区展平径向功率
重金属装量	20.4	t_HM	MOX 23.1 t
活性区高 / 等效直径	950 / 2 580	mm	H/D = 0.37，扁平堆芯利于泄漏降低空泡价值
燃料组件数（内 / 外）	252（114 / 138）	盒	六角栅格环 0–9
控制棒位	19	位	SR-1 ×12、SR-2 ×4、RR ×3，见第 5 章
反射体 / 屏蔽组件	126 / 150	盒	环 10–11 钢反射体；环 12–13 B₄C 屏蔽
堆内贮存与转运位	84	位	环 14：乏燃料 76 + 新燃料暂存 6 + 转运 1 + 堵块 1
栅格节距 / 组件对边距	155 / 152	mm	六角管壁厚 3.5 mm，材料 15-15Ti
每盒燃料棒数	217	根	Φ8.5 × 0.50 mm 包壳，节距 9.70 mm，绕丝 Φ1.2 mm
芯块直径 / 气隙	7.35 / 0.075	mm / mm	包壳内径 7.50 mm
棒轴向分区（自下）	—	—	下端塞 / 下轴向增殖区 100 / 活性区 950 / 上轴向增殖区 150 / 钠腔 250 / B₄C 100 / 气腔 900 mm
平均 / 峰值线功率	28.9 / 39.8	kW/m	峰均比 1.38（径向 1.20 × 轴向 1.15）
堆芯功率密度	301	MW/m³	按栅格节距包络体积 252×(√3/2)p²×H = 4.98 m³
比功率	73.5	MW/t_HM	—
堆芯质量流密度 / 流速	5 543 / 6.62	kg/(m²·s) / m/s	组件流通面积 56.4 cm²；ρ(470 °C) = 837 kg/m³
峰值包壳外壁温度	620	°C	限值 650 °C（15-15Ti 蠕变+辐照）
峰值芯块中心温度	2 050	°C	MOX 熔点 2 740 °C，裕量 690 K
循环长度 / 换料批次	300 / 3	EFPD / 批	每次换 84 盒燃料（内 38 / 外 46）
平均 / 峰值卸料燃耗	66 / 99	GWd/t_HM	包壳峰值损伤 ≈ 125 dpa
增殖比	1.05	—	含轴向增殖区，无径向增殖区

中子学常数（概念设计取值）
β_eff / Λ	350 / 0.42	pcm / μs	MOX 快谱，Pu 主导
多普勒常数 K_D	−0.0055	—	Δρ = K_D ln(T₂/T₁)；773→1500 K 约 −365 pcm
钠密度系数（堆芯平均）	+0.28	pcm/K	正值，被膨胀与泄漏项部分抵消
全堆芯钠空泡价值	−100 ± 250	pcm	轴向非均匀 + 上钠腔；均匀堆芯对照约 +1 150 pcm
等温温度系数（200→395 °C）	−2.0	pcm/K	对应温度缺陷 390 pcm
功率系数（0→100% FP）	−900	pcm	分项见表 7-1

1.3设计准则与限值

「裕量」列为本设计值相对限值的余量；标黄者为需在后续设计阶段以三维输运/燃耗计算收紧不确定度的项。

表 1-3　主要设计限值与本设计取值
项目	准则 / 限值	本设计	裕量
包壳峰值温度（正常运行）	≤ 650 °C	620 °C	30 K
芯块中心温度	≤ 0.8 T_melt = 2 190 °C	2 050 °C	140 K
钠沸腾裕量（峰值通道）	≥ 200 K	293 K	+93 K
停堆深度（单棒卡死）	≥ 2 000 pcm	2 390 pcm	+390 pcm
停堆系统数量与独立性	≥ 2 套，物理与功能独立	SR-1 / SR-2	满足
反应性引入率（提棒）	≤ 3 pcm/s	见 5.5	满足
组件转运时顶部浸没深度	≥ 300 mm 钠面以下	1 700 mm	大裕量
换料时堆芯次临界度	k_eff ≤ 0.95	0.926	满足
钠空泡价值（全堆芯）	目标 ≤ 0	−100 pcm	不确定度 ±250 pcm
非能动排热能力（停堆后 24 h，2 列可用）	≥ 0.4% P₀	1.33% P₀	3.0 ×

第 2 章

一回路（池式）设计

一回路为常压钠池。冷池钠经 3 台立式机械泵加压，通过压力管进入堆芯下部高压腔室，自下而上流经 252 盒燃料组件后进入堆芯上方热池；热池钠经隔板（redan）上部窗口进入 6 台中间热交换器壳侧，向下流动放热后返回冷池。全部一回路钠始终处于自由液面之下，回路无压力边界破口导致堆芯裸露的路径。

2.1主要设备

表 2-1　一回路主要设备
设备	数量	主要参数	材料 / 说明
主容器	1	Φ12.6 m × 14.2 m，壁厚 50 mm，顶部由楼板支承	316LN；运行温度 395 °C（冷池侧），避免热池直接接触
保护容器	1	Φ13.4 m，间隙 400 mm	316LN；容纳主容器全部泄漏钠并保持堆芯淹没
隔板（redan）	1	锥形，分隔热池 / 冷池，上部设 6 个 IHX 入口窗	316L；非承压件，允许小量旁流
堆芯支承结构	1	格栅板 + 高压腔室，支承 631 个栅元	316LN；低温（395 °C）区，蠕变不控制设计
主循环泵	3	立式单级离心，2 625 kg/s，扬程 0.75 MPa，轴功率 3.0 MW，转速 500 r/min（变频 20–105%）	浸没于冷池；配飞轮，惰转时间常数 12 s
中间热交换器 IHX	6	250 MW_t/台；逆流壳管式；一次侧壳侧下行，二次侧管侧上行；2 000 根 Φ22×0.9 mm，L = 6.5 m，传热面积 900 m²；LMTD 55.7 K，U ≈ 5 000 W/(m²·K)；一次侧压降仅 8 kPa（对应热/冷池液位差 1.0 m）	316L 管；二次侧压力略高于一次侧，泄漏方向为"二次→一次"，避免放射性外泄
浸没式事故冷却器 DHX	4	10 MW/台（4 台合计 2.7% P₀），置于热池，接 DRACS 自然循环回路	见第 7 章
旋塞与楼板	1 套	大旋塞 Φ6.0 m / 小旋塞 Φ3.2 m，偏心 e₁ = e₂ = 1 120 mm	见第 6 章
堆内贮存格架	1	环 14，84 位，浸没冷却，单位热负荷 ≤ 12 kW/盒	乏组件在钠中衰变冷却 ≥ 60 d 后出堆

2.2热工水力与流量分区

252 盒燃料组件为并联通道，全部承受相同的总压降 0.45 MPa。径向功率分布使各组件功率相差约 1.8 倍，若不分区节流，低功率组件将过冷、高功率组件出口过热。本设计按功率把堆芯划分为 6 个流量区，用组件入口节流孔板补足压降差额，使出口钠温收敛到 545 ± 6 K 带内 —— 这是抑制热池温度不均、减少上部结构热应力与热棘轮的关键措施。

棒束 ΔP 按 ΔP ∝ w² 自峰值区 0.43 MPa 标定；孔板取压降差额。出口温度带由区内功率离散（±0.05 P̄）产生，节流分区把全堆芯 ±40 K 的出口温差压缩到 ±13 K。每个换料循环后需按新的功率分布核查孔板分区归属，组件调换时孔板随组件一同更换。

表 2-2　堆芯流量分区与入口节流孔板 *并联通道等压降约束：ΔP_棒束 + ΔP_孔板 = 0.45 MPa*
流量区	组件数	相对功率 P/P̄	相对流量 w/w̄	棒束 ΔP MPa	孔板 ΔP MPa	出口钠温带 °C
Z1（内区峰值）	24	1.31 ± 0.05	1.31	0.430	0.020	539 – 551
Z2	42	1.18 ± 0.05	1.18	0.349	0.101	539 – 551
Z3	48	1.08 ± 0.05	1.08	0.292	0.158	538 – 552
Z4	54	0.97 ± 0.05	0.97	0.236	0.214	537 – 553
Z5	48	0.85 ± 0.06	0.85	0.181	0.269	534 – 556
Z6（外区边缘）	36	0.72 ± 0.06	0.72	0.130	0.320	532 – 558
合计 / 加权	252	1.000	1.000	—	—	545（混合平均）

3 台泵水力功率合计 6.19 MW，取效率 0.79 得轴功率 7.8 MW，占热功率 0.52%。池式回路的关键约束：热池经 IHX 回冷池的通路由两池液位差驱动，Δh = ΔP/(ρg) = 8 kPa/(819×9.81) = 1.0 m。若 IHX 一次侧压降按回路式堆的 0.08 MPa 取值，需要 10 m 液位差，池式布置在物理上无法成立 —— 这是池式设计中 IHX 必须"低压降、大流通面积"的原因。

表 2-3　一回路压降分配（额定流量）
区段	ΔP / MPa	份额
燃料组件（孔板 + 棒束 + 进出口）	0.450	68.4%
堆芯下腔室与支承格栅	0.060	9.1%
泵出口压力管至高压腔室	0.120	18.2%
IHX 一次侧（壳侧）	0.006	0.9%
冷池至泵吸入口	0.020	3.0%
热池窗口与自由液面损失	0.002	0.3%
主泵扬程需求	0.658	100%

钠工艺与净化系统

冷阱（cold trap）：旁流 8 kg/s，冷却至 130 °C 使 Na₂O 与 NaH 结晶析出，控制氧 < 3 ppm、氢 < 0.2 ppm — 氧含量直接决定不锈钢的钠腐蚀与碳迁移速率。
热阱（hot trap）：Zr 箔 650 °C，吸收碳与氮，抑制包壳增碳/脱碳。
堵塞计：连续测定钠中杂质饱和温度，作为冷阱效能的在线指标。
覆盖气体净化：Ar 循环经活性炭延迟床，除去 ¹³³Xe / ⁸⁵Kr 与钠蒸气；气腔取样监测裂变气体，用于燃料棒破损定位。
电加热伴热：所有钠管道与设备 > 200 °C 预热后方可充钠；预热回路容量按 30 K/h 升温率设计。
钠泄漏探测：夹层内布置钠导电式与烟雾式双原理探测器，主容器与保护容器间隙充 Ar 并连续监测。

第 3 章

二回路与能量转换

二回路为 3 条独立的中间钠回路，每条 500 MW_t。其唯一功能是把热量从带放射性的一回路钠传给水/蒸汽，同时在两者之间插入一道非放射性的钠边界：即使发生钠水反应，反应产物、压力波与氢气都被限制在二回路内，不进入主容器。二回路钠压力在 IHX 处高于一回路，保证管束泄漏时的流向为"二次侧 → 一次侧"。

3.1蒸汽发生器与钠水反应防护

钠水反应（Na + H₂O → NaOH + ½H₂，ΔH ≈ −140 kJ/mol）是钠冷堆特有的、必须按"假想发生"来设计的事件。设计策略分三层：降低发生概率、限制单点泄漏发展、承受双端断裂（DEG）后果。

取消管板双管（双壁管）方案，改以"单壁管 + 高完整性焊接 + 100% 在役检查通道 + 快速泄漏探测"实现，理由：双壁管的传热恶化与制造缺陷率抵消了其屏障收益。

表 3-1　蒸汽发生器参数（单台）
参数	数值	单位
型式	直流螺旋管束，钠壳侧下行 / 水管侧上行
热功率	500	MW_t
钠侧进 / 出温度	505 / 320	°C
水侧进 / 出温度	240 / 490	°C
蒸汽压力 / 流量	14.0 / 219	MPa / kg/s
LMTD / 总传热系数	38.8 / 4 500	K / W·m⁻²K⁻¹
传热面积 / 管数 / 管长	2 900 / 1 200 / 38.5	m² / 根 / m
管材 / 规格	Grade 91 / Φ20×3	—
端部温差（热端 / 冷端）	15 / 80	K

三层防护

① 降低概率　管束焊缝 100% 射线 + 超声检验；水侧水质 pH 9.2、含氧 < 5 ppb（抑制应力腐蚀）；避免管束跨距共振；每次大修用涡流/超声在役检查。

② 限制发展（小泄漏 → 大泄漏）　钠中氢计（电化学氢传感器，检测限 30 ppb H）与覆盖气体氢计构成两个独立通道；探测到氢上升 3σ 即报警，达到阈值 200 ppb 触发该环路隔离与蒸汽侧快速卸压。从"针孔泄漏"到"相邻管破损"的自愈时间窗口约数十分钟，是本层防护的物理依据。

③ 承受 DEG　假想 1 根管双端断裂：14 MPa 水瞬时喷入钠侧，压力波峰值按 1.5 MPa 设计。钠侧设 2 道爆破膜（开启压力 0.8 MPa）通向反应产物排放箱（内置分离器 + 氢燃烧塔）；二回路管道与膨胀箱按 1.5 MPa 动态载荷校核；反应产物排放箱容积按 1 根管完全排放 + 20% 裕量。

隔离与排放　该环路 Na 侧双向隔离阀 3 s 内关闭，钠自流排入事故排放箱（130 t，位于最低点，Ar 覆盖）。剩余 2 条环路可带 65% 功率继续运行。

3.2三回路与热力循环

不设再热：钠-水 SG 若带再热段会显著增加钠侧管程与泄漏面积；牺牲约 1.5 个效率点换取更简单的钠水边界。

表 3-2　汽轮机与循环
项目	数值
型式	单轴冲动-反动混合
转速	3 000 r/min
进汽	14.0 MPa / 490 °C
再热	无
回热级数	4 + 除氧器
凝汽压力	5.5 kPa
给水温度	240 °C
毛效率	40.5%

二回路钠工艺要点

膨胀箱　每环路 1 台，位于回路最高点，Ar 覆盖压力 0.25 MPa，为 IHX 处提供高于一回路的静压头 ⇒ 保证泄漏流向。
循环泵　每环路 1 台离心泵，2 107 kg/s，扬程 0.55 MPa，轴功率 1.4 MW。
钠预热　全回路电伴热维持 ≥ 200 °C（钠熔点 97.8 °C，取 100 K 裕量防局部凝固堵塞）。
冷阱　旁流 3 kg/s，控制氧 < 5 ppm；二回路无放射性，检修可达。
停运与排放　各环路可独立排空至排放箱并用 Ar 吹扫，实现单环路检修而反应堆维持 65% 功率运行。
放射性监测　二回路钠连续取样监测 ²⁴Na 与裂变产物，作为 IHX 管束泄漏的唯一在线判据。

第 4 章

堆芯中子学与不同温度下的中子截面

快堆的负温度反馈几乎全部来自 ²³⁸U 共振俘获的多普勒展宽。本章不引用现成的截面表，而是在页面内用单能级 Breit–Wigner（SLBW）+ Faddeeva 函数实时计算 ²³⁸U 共振区截面随温度的变化，从"面积守恒 → 自屏减弱 → 有效俘获增大 → 负反应性"这条链上把多普勒效应算出来；随后给出 1 群谱平均截面的量级表与快堆能谱。所有可复算的量都标注了参数与积分区间。

第 5 章

反应性控制与控制棒

19 个控制棒位分为三组：主停堆棒 SR-1（12 根）、后备停堆棒 SR-2（4 根）、调节棒 RR（3 根）。SR-1 与 SR-2 在驱动机构、脱扣原理、信号通道与供电上完全独立，各自满足单棒卡死条件下的停堆深度要求。本章给出棒位布置、价值曲线、运动幅度与速度谱、落棒动力学（RK4 积分）与点堆动态响应；控制棒运动幅度是本章的核心交付物之一，全部由页内模型算出而非填表。

第 6 章

换料机构与换料过程

换料是钠冷快堆最具特征的机械设计问题：堆芯完全被不透明的液钠淹没，组件不能露出液面（钠着火、组件失冷、放射性外泄），也不能在覆盖气体中长时间停留。工程解法是"在钠下换料"——用两个偏心叠置的旋转屏蔽塞把一台直提式换料机的抓具送到任意栅元上方，全部提升、平移、就位动作都在钠液面以下完成。本章给出该机构的运动学、结构、联锁与完整换料时序动画。

6.1双偏心旋塞的运动学

大旋塞（LRP，Φ6.0 m）中心与主容器/堆芯轴线同心，可绕自身轴线转角 α；小旋塞（SRP，Φ3.2 m）中心装在 LRP 上、偏心 e₁ = 1 120 mm，可相对 LRP 转角 β；换料机抓具轴线装在 SRP 上、偏心 e₂ = 1 120 mm。于是抓具轴线在水平面内的位置为

P(α, β) = e₁·[cos α, sin α] + e₂·[cos(α+β), sin(α+β)]
|P| = √(e₁² + e₂² + 2·e₁·e₂·cos β)　⇒　可达域 0 ≤ r ≤ e₁ + e₂ = 2 240 mm

这正是一台两连杆平面机械手（R–R 串联）。给定目标栅元 (x, y)，逆解为

r = √(x² + y²)，θ = atan2(y, x)
β = ± arccos[ (r² − e₁² − e₂²) / (2·e₁·e₂) ]　　（两个解：肘上 / 肘下）
δ = atan2( e₂·sin β , e₁ + e₂·cos β )
α = θ − δ

选取 β 的符号使 两个旋塞的角行程之和最小（大旋塞惯量大、转速低，是节拍的瓶颈），可把单盒组件的旋塞动作时间压缩 30% 以上。页内动画实时显示两个解并标出被选中的那个。

可达性校核：最外圈需要作业的栅元是环 14（堆内贮存与转运位），角向半径 14 × 155 = 2 170 mm，小于 2 240 mm，裕量 70 mm。通过
奇异位形：r → 0（中心栅元）时 β → 180°，α 不定，机构处于"完全折叠"奇异点，微小的位置误差会引起 α 剧烈变化。处理办法是把中心栅元 (0,0) 的作业位形固化为 α = 0°、β = 180°，并规定接近中心 3 个栅元时先把 SRP 折叠到位再转 LRP，不做联动插值。
控制塞随动：上部堆内构件（控制塞，含 252 支出口热电偶热套管与 19 根控制棒导向管）安装在小旋塞下方并与之同步转动，因此堆内构件与被吊运组件之间没有相对运动。控制塞上开设 1 个换料通道（孔径 300 mm，位于距小旋塞轴线 e₂ = 1 120 mm 处），组件经该通道提升 —— 这个"随动 + 单通道"构型是双旋塞方案能够成立的前提。
工作域外的死区：因 e₁ = e₂，可达域为完整圆盘而非圆环，不存在中心死区；若取 e₁ ≠ e₂ 则内半径 |e₁ − e₂| 内的栅元不可达，这是双旋塞偏心量必须相等的设计约束来源。

6.2换料机（直提式）与旋塞结构

旋塞角度精度 ±0.010° 在 r = 2 240 mm 处对应 0.39 mm 弧长，远小于组件上部提柄导入锥（15° 锥角，可容纳 ±5 mm 对中偏差）的要求，因此定位链的瓶颈是抓具竖直行程的 ±2 mm，而非旋塞角度。

表 6-1　换料机构运动参数（**换料机构运动幅度**汇总）
运动	行程 / 幅度	速度	精度
大旋塞 LRP 转角 α	±180°	0.08 r/min (0.48 °/s)	±0.010°
小旋塞 SRP 转角 β	±180°	0.15 r/min (0.90 °/s)	±0.010°
抓具竖直行程（3 节套筒）	7 000 mm （收缩 2 600 → 伸出 7 400 mm；收缩状态位于楼板上方 3.0 m 高的机架内）	空载下行 200 mm/s 带载提升 50 mm/s 精定位 5 mm/s	±2 mm
组件提升幅度（脱离栅元 + 越过热套管）	3 900 mm	50 mm/s → 78 s	±2 mm
抓爪开合	25 mm	4 s 全行程	行程开关 ×2
倾斜提升机（出堆通道）	11 000 mm，倾角 30°	100 mm/s	±5 mm
旋塞锁定销	120 mm	8 s	到位开关 ×2
单盒组件更换节拍	约 20 min（卸出 ≈ 10 + 装入 ≈ 10）→ 84 盒机械作业 ≈ 28 h　页内动画按行程 ÷ 速度实时累计，见"工艺累计时间"读数

抓具（三爪卡口式）

失效保持：弹簧夹紧、液压松开。失去动力时抓爪保持夹持，组件不会在液面下坠落 —— 坠落的组件会砸坏栅板并造成不可回收的堆内异物。
载荷监测：抓具杆内置应变式测力计，量程 0–20 kN、分辨率 10 N。判据：空钩 < 0.3 kN；带组件 2.9–3.5 kN（组件干重 350 kg，钠中视重约 300 kg）；> 5 kN 卡涩报警；> 8 kN 联锁停止。
卡涩处置：允许在 8 kN 以内做 ±5 mm / 0.5 Hz 微振松脱，最多 20 次；仍不脱开则组件回落原位、封存，转专用工具处理。
套筒伸缩比：3 节套筒收缩 2 600 mm、伸出 7 400 mm（比值 2.85），是三节结构的可行上限；若要求更大行程必须增加节数或抬高机架，二者都会推高厂房高度。
钠雾对策：套筒穿越 1.2 m 覆盖气体腔，钠蒸气会在冷表面凝结成"钠雾"造成卡涩。设刮除环 + 200 °C 伴热 + Ar 局部吹扫。

旋塞本体与密封

屏蔽叠层（自上而下）：碳钢结构层 400 mm / 重混凝土 + 硼砂中子屏蔽 900 mm / 多层反射式隔热屏 300 mm / 不锈钢底板。旋塞下表面 ≈ 300 °C，楼板上表面 ≤ 60 °C。
密封：双道充气式机械密封（Ar 阻封，压差 3 kPa）+ 1 道低熔点合金冷冻密封（Bi-Sn-Pb，熔点 96 °C）。运行时冷冻密封凝固形成气密（泄漏率 ≤ 1×10⁻⁴ Pa·m³/s）；换料前电加热熔化以允许转动，转动结束后重新凝固。
轴承：Φ5.6 m 滚柱回转支承，承 180 t 自重 + 地震载荷，工作温度 ≤ 80 °C（靠隔热屏与楼板冷却水保证）。
锁定销：2×3 只，转动前拔出、就位后插入；与抓具位置构成机械互锁（见 6.4）。

6.3为什么组件必须始终在钠面以下

这条约束决定了主容器的深度，也决定了换料机的行程，是整个机构的尺寸驱动因素：

浸没深度的物理意义：① 乏组件衰变热（换料时约 8 kW，峰值 12 kW）必须由钠自然对流带走，露出液面数十秒包壳即可能超温；② 1.5 m 液钠是有效的 γ / 中子屏蔽，把抓具与旋塞下部的剂量率降到可接受水平；③ 避免组件表面附着钠与覆盖气体中残余氧反应。提升幅度 3 900 mm 是整个机构的尺寸驱动量：它决定了套筒行程、控制塞下沿标高、钠池深度，进而决定主容器高度 14.2 m。

表 6-2　组件转运高度链（自堆芯支承格栅板上表面起算，单位 mm）
标高	数值	约束来源
组件就位全高（栅板 → 上部提柄顶）	3 600	活性区 950 + 上下增殖区 / 钠腔 / B₄C / 气腔 / 端塞
控制塞出口热电偶热套管下端	3 750	组件出口上方 150 mm，保证测点贴近出口
控制塞（上部堆内构件）下沿 / 上沿	3 900 / 5 900	随小旋塞同步转动
组件提升幅度（底部由 0 提到转运标高）	3 900	底部须高于全部堆芯组件顶（3 600）与热套管下端（3 750），取 150 mm 越障间隙
转运窗口（组件底部允许标高带）	3 900 – 4 300	下限见上；上限由抓具行程与套筒刚度限定
提升到位后组件顶部标高	7 500	= 3 900 + 3 600
换料钠液位（等温 200 °C，两池齐平）	9 000	运行时冷池 9 000 / 热池 10 000；停堆冷却后钠体积收缩 7.3%（ρ: 837→903 kg/m³）使齐平液位落到 9 000
转运时组件顶部浸没深度	1 500	要求 ≥ 300 mm，裕量 5 倍
钠面到旋塞下表面（覆盖气体腔）	1 200	Ar 腔，容纳液位波动与钠雾
旋塞下表面 → 楼板上表面	10 200 → 11 800	屏蔽叠层 1 600
抓具行程（停放 10 600 → 抓取 3 600）	7 000	套筒 3 节伸缩

6.4换料联锁与临界安全

许可条件（全部满足方可动作，页内动画实时显示）

反应堆已停堆，19 根棒全部在插入位（位置开关 + 价值核算），k_eff ≤ 0.95，本设计换料工况 0.926。
19 根控制棒驱动杆已与吸收体解耦并提升至旋塞内：吸收体留在堆芯插入位（靠机械闩锁保持），驱动杆随旋塞转动。若不解耦，旋塞一转就会剪断驱动杆。
一回路等温 180 °C ≤ T ≤ 250 °C：下限保钠不凝固（熔点 97.8 °C，留 80 K 裕量）、保冷冻密封可熔化；上限保旋塞轴承与机构材料温度。
覆盖气体 O₂ < 50 ppm、H₂O < 20 ppm，Ar 压力 5–30 kPa(g)。
钠液位在换料窗口 9 000 ± 50 mm。
衰变热排出运行中（至少 1 列 DRACS 或 1 条二回路强迫循环）。
抓具载荷在允许窗口内（空钩 / 带载 / 卡涩三态判别）。
组件顶部浸没深度 ≥ 300 mm。

两条硬互锁（机械 + 电气双重）

互锁 A：旋塞转动许可 = 抓具在停放高度（空钩）或组件底部在转运窗口 3 900–4 300 mm 内。低于 3 900 mm 转动会让组件（或空抓具）刮过堆芯组件顶部与热套管，是双旋塞方案唯一的致命误操作模式；高于 4 300 mm 则套筒外伸过长、刚度不足。必须用机械凸轮 + 位置开关 + 液压回路三重实现，不允许只靠软件。页内动画提供"违规操作演示"按钮，可看到联锁如何截断动作。
互锁 B：旋塞锁定销未插入 ⇒ 禁止抓具下降。防止提升过程中旋塞受抓具偏载或地震而转动，导致组件与栅元错位、别劲卡死。
两条互锁在页内动画中作为联锁灯实时判定；违反时动画会停止并报警。

堆内贮存格架的临界安全

环 14 的 84 个贮存位按栅距 260 mm 布置并插入含硼钢隔板，无限阵列 k_eff ≤ 0.90。快谱下钠不是有效慢化剂，贮存格架的临界安全主要靠几何分隔与吸收板，而非水堆式的"欠慢化"论证；但必须论证格架进水/进油等异常慢化剂引入的工况（本设计以"钠池内不存在水源 + 二回路水侧与主容器无直接通路"排除）。

6.5换料时序动画

下面的动画由页内运动学模型驱动：俯视图中两个旋塞按 6.1 的逆解真实转动，剖视图中抓具与组件按表 6-1 的行程与速度真实平移；两视图共享同一状态量。栅元颜色为组件燃耗（俯视图图例），换料策略为"卸出燃耗最高的 84 盒，内外区不互换"。

6.6燃料转运路线与堆芯管理

乏燃料出堆路线

堆芯栅元 → 换料机 → 堆内贮存格架（环 14），在钠中衰变冷却 ≥ 60 d，衰变热由 8 kW 降至约 4 kW。
换料机 → 转运位 → 倾斜提升机（倾角 30°，行程 11 m），在充 Ar 的转运通道内提出液面；此时组件已可在气体中短时停留而不超温。
转运容器（Ar 气冷，自然对流 ≥ 5 kW）→ 钠清洗：先真空蒸馏除去大部分附着钠，再用湿蒸汽/醇缓慢反应清除残余，避免"钠-水直接接触"式放热。
→ 乏燃料水池（硼水，格架 k_eff ≤ 0.95）→ 后处理。

新燃料入堆路线

新燃料库（干式）→ 尺寸/清洁度/氦检漏 → 预热至 200 °C（必须，否则冷组件插入 200 °C 钠中会产生局部凝固与热冲击）→ 转运容器 → 倾斜提升机 → 环 14 新燃料暂存位（6 个）→ 换料机装堆。

堆芯装换料策略

3 批分散装料：每循环（300 EFPD）卸出燃耗最高的 84 盒（内区 38 + 外区 46），新组件装入同区腾出的位置。
不做 out-in 倒料：快堆径向功率展平依靠 Pu 富集度分区（19.5% / 24.5%）实现，不需要像压水堆那样靠倒料展平；倒料反而会打乱流量分区孔板与组件的对应关系。
孔板随组件：入口节流孔板做在组件下部接头上，组件调换时孔板一同更换，避免栅元与孔板分区不匹配。
反射体与屏蔽：钢反射体（环 10–11）按 15 a 更换一次；B₄C 屏蔽组件（环 12–13）因 ¹⁰B 燃耗与氦肿胀按 10 a 更换。控制棒吸收体按 ¹⁰B 燃耗（限值 4×10²¹ captures/cm³）约 4 个循环更换。
换料窗口：21 d = 停堆冷却 3 d + 解封与检查 2 d + 机械换料 28 h（≈1.2 d）+ 堆内检查/贮存格架倒运 3 d + 复位与密封 2 d + 启动前试验与临界 5 d + 裕量 3.5 d。

第 7 章

安全设计

钠冷快堆的安全设计与压水堆有三点根本差别：① 一回路常压、冷却剂沸点远高于运行温度，因此"失压/失水"不是主导事故，失流与失热阱才是；② 冷却剂空泡效应可能为正，必须用堆芯几何主动压低；③ 钠与水/空气化学反应活性高，钠火与钠水反应是特有的设计基准事件。本章按"反应性反馈 → 非能动排热 → 事故序列 → 包容"的顺序给出设计。

7.1反应性系数与功率系数分解

表 7-1　温度缺陷分解（等温 200 → 395 °C，即 473 → 668 K）
反馈项	Δρ / pcm	等效系数 pcm/K
燃料多普勒 −0.0055·ln(668/473)	−190	−0.97
钠密度（膨胀 → 泄漏与谱硬化）	+55	+0.28
燃料 / 包壳轴向膨胀	−85	−0.44
栅板与支承结构径向膨胀	−110	−0.56
控制棒驱动线热膨胀（相对插入加深）	−60	−0.31
等温温度缺陷	−390	−2.00

注意：栅板径向膨胀项在此不出现 —— 栅板浸在入口冷池中，其温度由入口温度决定，从热零功率到满功率几乎不变。这是快堆反应性分解中容易搞错的一项。

表 7-2　功率缺陷分解（热零功率 → 100% FP）
反馈项	Δρ / pcm	驱动温升
燃料多普勒 −0.0055·ln(1523/668)	−453	燃料平均 395 → 1 250 °C
燃料轴向膨胀	−210	同上
钠密度（堆芯平均 +75 K）	+21	395 → 470 °C
组件弯曲与六角管径向效应	−105	管壁 +90 K
包壳 / 六角管轴向膨胀	−33	—
控制棒驱动线热膨胀	−120	热池 395 → 545 °C
功率缺陷	−900	—

钠空泡价值：为什么必须改堆芯几何

钠沸腾或气泡通过堆芯时，冷却剂密度下降有三个竞争效应：谱硬化（η 上升，正）、泄漏增大（负）、钠俘获/非弹性散射减少（正）。大型均匀堆芯中间区域泄漏项弱，净效应为正，本堆芯若取均匀布置约为 +1 150 pcm（+3.3 $）。本设计采用轴向非均匀（低钠空泡）构型：

活性区分成上下两段，中间夹 60 mm 贫铀内增殖层，抬高轴向泄漏权重；
活性区上方设 250 mm 钠腔 + 其上 100 mm B₄C 顶板：正常运行时钠腔是"中子反射/散射层"，一旦空泡化则轴向泄漏急剧增加，产生强负贡献；
扁平堆芯 H/D = 0.37，本身提高泄漏份额。

综合后全堆芯钠空泡价值 −100 pcm，不确定度 ±250 pcm（该量对截面库、堆芯细节与计算方法极其敏感，是本设计后续必须用多套数据库交叉验证的第一优先项）。设计上不因此免除 SASS 与非能动排热 —— 不把安全建立在一个 ±250 pcm 的数字上。

7.2停堆与非能动衰变热排出

7.3事故序列与设计基准

ULOF/UTOP/ULOHS 的温度为准静态反应性平衡 + 两节点热工模型给出的量级估算（第 5 章点堆模块可复算其动态过程），不能替代 SAS4A/SASSYS-1 等系统程序的安全分析。

表 7-4　主要事故序列与后果（概念设计级估算）
序列	始发	缓解	峰值钠温 °C	峰值包壳 °C	结论
失流（PLOF）	3 台主泵失电	保护停堆 + 泵惰转 12 s + 自然循环	640	660	无损伤
ULOF 无保护失流	主泵失电 + 停堆失败	负反馈自降功率 → SASS 700 °C 脱扣	790	730	距沸点 883 °C 裕量 93 K；无熔化
UTOP 无保护提棒	RR 组全价值误提（+900 pcm，1.0 mm/s）	多普勒自限 → SASS 于钠出口 700 °C 脱扣（t = 22.8 s）	700	730	峰值功率 3 518 MW、峰值燃料 2 163 °C（第 5 章算例 c 实算）< 2 740 °C；若仅在工作带内误提（+101 pcm）则峰值功率 1 615 MW、燃料 1 315 °C，自限于新稳态
ULOHS 无保护失热阱	二回路全部丧失 + 停堆失败	入口温度上升 → 负反馈降功率 + DRACS	810	760	裕量 73 K；DRACS 接管
组件局部堵流	异物堵塞 > 50% 流通面积	出口热电偶 + 延迟中子监测（DND）	—	>800 局部	按"不扩展到相邻组件"设计
主容器泄漏	主容器裂穿	保护容器承接，液位仍高于 IHX 窗口	—	—	堆芯保持淹没，DRACS 可用
钠水反应（DEG）	SG 1 根管双端断裂	爆破膜 + 隔离 + 排放（见 3.1）	—	—	压力波 ≤ 1.5 MPa，不传入主容器
钠火（喷射/池火）	二回路管道破口	设备间限氧 + 集钠盘 + 抑燃盖板	—	—	房间温压不超设计值
换料事故	组件坠落 / 抓具误动	失效保持抓具 + 硬互锁 A/B	—	—	见 6.4；无临界后果（k=0.926）
地震（超设计基准）	2× SL-2	水平隔震（f₀ = 0.5 Hz）	—	—	堆芯组件相对位移 ≤ 5 mm，不引入正反应性

7.4纵深防御与包容

表 7-5　纵深防御层次与本设计的对应措施
层次	目标	措施
1	防止偏离正常运行	负功率系数、流量分区、钠净化控制腐蚀、旋塞与换料互锁、运行限值与条件（OLC）
2	探测并控制偏离	堆芯出口热电偶（每盒 1 支）、延迟中子监测、覆盖气体裂变气体监测、钠中氢计、泵转速/流量保护
3	控制设计基准事故	SR-1 / SR-2 两套独立停堆系统；4 列 DRACS；保护容器；二回路隔离与排放
4	控制严重事故	SASS 自持停堆、RVACS 最终排热、堆芯捕集器（锥形多层，含 B₄C 稀释板，容纳 20% 堆芯熔融物并保持次临界）、堆内滞留
5	减轻放射性后果	安全壳（设计压力 0.15 MPa，泄漏率 ≤ 0.5 %/d）、钠气溶胶过滤（钠火产物为 Na₂O/NaOH 气溶胶，需专门过滤器）、应急计划

钠特有的防护措施

限氧惰化：所有含钠设备间（二回路、SG 间）常态充 N₂ 或维持 O₂ < 5%，使钠泄漏后不能持续燃烧。
集钠盘与导流：泄漏钠沿倾斜地面导入密闭集钠槽，减小自由液面 → 抑制池火燃烧速率。
双层管道：贯穿安全壳与人员可达区的钠管道采用双层套管，夹层充 Ar 并监测。
钠气溶胶：钠火烟气腐蚀性极强，会堵塞常规 HEPA；设专用预过滤 + 碱性洗涤。
²⁴Na 屏蔽：一回路钠活化（²³Na(n,γ)²⁴Na，T_1/2 = 14.96 h，2.75 MeV γ）使主容器周围在运行期间成为高剂量区，检修必须等待衰变（约 1 周降至 1/1000）。这一点直接决定了厂房布置与检修计划。

仪控与人机

停堆保护：两套 2/4 逻辑，物理隔离机柜与供电；SR-1 由电磁铁脱扣，SR-2 由居里点合金 + 电磁铁双路径脱扣。
堆芯监测：每盒燃料组件出口 1 支 K 型热电偶（252 支），是局部堵流的主探测手段；延迟中子监测（DND）在 IHX 入口取样，探测燃料棒破损。
换料期间：抓具载荷、旋塞角度、抓具高度、浸没深度、覆盖气体成分构成 5 个联锁通道，任一失效即停止动作（fail-to-stop，非 fail-to-continue）。
控制室 + 应急控制点（远离主厂房），非能动排热与 SASS 不依赖控制室可用性。

第 8 章

设计自洽性校核

下表由页内 JavaScript 从"原始输入"（功率、温度、几何、材料物性）重新推导出全文引用的每一个导出量，并与文中数字逐项比对。任何一项 FAIL 都意味着文件内部不自洽。这张表是本设计文件的自检机制，刷新页面即重算。

第 9 章

模型边界与免责说明

页内可复算的部分（真实计算）

第 4 章 ²³⁸U 共振区截面：SLBW + Faddeeva 函数实时计算，共振参数与积分区间在页面上给出；无限稀释共振积分的温度不变性（面积守恒）作为内部校验。
第 5 章 控制棒积分/微分价值（一维余弦通量 + 一阶扰动理论）、落棒动力学（RK4 积分含浮力/阻力/弹簧/缓冲器）、6 组缓发中子点堆动力学 + 两节点热工反馈。
第 6 章 双旋塞逆运动学、可达域、组件转运高度链、换料节拍；动画中的每一个角度与行程都来自这些方程。
第 8 章 全部热工/几何导出量的闭合校核。

不是真实计算的部分（工程量级取值）

1 群谱平均截面表：快堆文献常见量级值（±20%），仅用于说明谱特征与量级关系，不用于设计计算。
β_eff、K_D、钠空泡价值、棒组总价值、增殖比、燃耗摆动：概念设计级取值，真实值需 3D 输运（如 MCNP/Serpent/ERANOS）+ 燃耗计算。
表 7-4 的事故峰值温度：准静态平衡 + 两节点模型估算，非系统程序安全分析结果。
结构强度、抗震、材料辐照寿命、经济性：未做定量分析。

性质说明

本文件为教学/概念演示性质的自洽设计练习，不构成可建造设计，不对应任何在建或在运机组，也不包含任何受出口管制或敏感的设计数据。全部参数取自公开文献的典型量级并按内部自洽原则重新配平。