核電廠燃料組件破損檢測(cè)方法及分析

鐘劉松

（中核霞浦核電有限公司，福建霞浦 355100）

0 引言

燃料組件作為核電廠能量產(chǎn)生的源泉，隨著燃料棒燃料芯塊中U-235 鏈?zhǔn)搅炎儺a(chǎn)生能量，各種放射性核素隨之產(chǎn)生。在燃料組件完整的條件下，大部分放射性核素包裹在燃料棒包殼管中，燃料棒包殼管作為核電廠的一道重要保護(hù)屏障，其完整性至關(guān)重要。若燃料棒包殼管發(fā)生破損，如何分析判斷破損情況尤為重要。根據(jù)國(guó)內(nèi)核電廠在燃料組件破損檢測(cè)方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，分析燃料組件破損檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)流程和可靠方法，為研究燃料組件破損檢測(cè)工作提供參考和工作思路。

1 燃料破損檢測(cè)設(shè)備及原理

燃料破損檢測(cè)設(shè)備主要有在線啜吸檢測(cè)裝置、離線啜吸檢測(cè)裝置、超聲檢測(cè)設(shè)備、渦流檢測(cè)設(shè)備和燃料在線破損探測(cè)系統(tǒng)。其中離線啜吸檢測(cè)裝置、超聲檢測(cè)設(shè)備和渦流檢測(cè)設(shè)備屬于離線燃料破損檢查設(shè)備。

1.1 在線啜吸檢測(cè)裝置

在線啜吸檢測(cè)裝置一般安裝在裝卸料機(jī)上，反應(yīng)堆換料卸料時(shí)，裝卸料機(jī)抓具抓住燃料組件從堆芯提出，組件在套筒上升到上部位置時(shí)，由于燃料組件所受外壓減小，加速了裂變氣體從破損的燃料包殼內(nèi)向外釋放，同時(shí)，啜吸檢查系統(tǒng)注氣管從套筒底部注入壓縮空氣，氣流帶出從燃料棒漏出的裂變氣上升到套筒內(nèi)水面上，位于此處的抽氣管把這部分氣體抽入γ，β 活度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量出其放射性活度，為判斷燃料組件是否破損提供依據(jù)。在線啜吸裝置放射性活度測(cè)量系統(tǒng)有檢測(cè)γ 活度和β 活度兩種方式。原理如圖1 所示。

1.2 離線啜吸檢測(cè)裝置

離線啜吸檢測(cè)裝置安裝在乏燃料廠房?jī)?nèi)，用于定性檢測(cè)輻照燃料組件的嚴(yán)密性和定量檢測(cè)燃料包殼破損的大小。原理是將燃料組件裝入啜吸室內(nèi)，用一定量的硼酸溶液對(duì)破損的燃料組件進(jìn)行沖洗浸泡或加熱，完成流程后對(duì)硼酸溶液進(jìn)行放化分析或?qū)σ莩鰵怏w進(jìn)行活度檢測(cè)，從而達(dá)到定性檢測(cè)燃料組件破損、定量測(cè)量其破口大小的目的。

離線測(cè)量：取氣樣和水樣到放射化學(xué)實(shí)驗(yàn)室分析、比較加熱前后流體中γ 活度，可定性探測(cè)被檢測(cè)燃料組件的嚴(yán)密性，并定量確定裂紋的大小。通過(guò)確定裂變產(chǎn)物泄漏的穩(wěn)定化動(dòng)力學(xué)模型評(píng)價(jià)燃料組件破損的當(dāng)量直徑。

圖1 在線啜吸裝置原理

1.3 超聲檢測(cè)裝置

超聲檢測(cè)裝置利用不拆燃料組件就可以對(duì)燃料棒進(jìn)行檢查的超聲波技術(shù)。檢查時(shí)超聲波探頭通過(guò)燃料棒的行間空隙，發(fā)出超聲波在燃料棒包殼內(nèi)傳播，受包殼內(nèi)介質(zhì)（水或氣體）的影響，超聲波在包殼-水界面相對(duì)于包殼-氣體界面透射率大大增加，因此破損燃料棒中返回的超聲波強(qiáng)度會(huì)大大衰減，信號(hào)反映在示波器上，可明顯區(qū)分燃料組件是否發(fā)生破損。原理如圖2 所示。

圖2 超聲檢測(cè)裝置原理

檢查時(shí)，超聲波探頭發(fā)射單元發(fā)出超聲波，在燃料棒包殼中不斷反射，繞行330°后由接收單元接收，如果燃料棒發(fā)生破損，超聲波會(huì)衰減至1/2，1/3 甚至更低，以此判斷是否漏損。

1.4 渦流檢測(cè)裝置

渦流檢測(cè)是基于電磁感應(yīng)的一種非破壞性檢測(cè)技術(shù)。當(dāng)渦流線圈與被檢燃料單棒作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)線圈一定頻率的交變電流在包殼周圍產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。燃料棒包殼在這個(gè)交變磁場(chǎng)的作用下，感應(yīng)出同樣頻率的渦流。如果包殼存在缺陷，渦流流動(dòng)隨之發(fā)生變化，引起線圈特性變化，在渦流儀上會(huì)反映出相應(yīng)的渦流信號(hào)，與已知的缺陷信號(hào)比較，就能判斷燃料棒包殼的缺陷狀況。

1.5 燃料在線破損探測(cè)系統(tǒng)

燃料在線破損探測(cè)系統(tǒng)根據(jù)裂變產(chǎn)物及其釋放到冷卻劑中的機(jī)制，根據(jù)燃料組件包殼發(fā)生破損后，部分易揮發(fā)性裂變產(chǎn)物會(huì)向冷卻劑中釋放的原理，通過(guò)監(jiān)測(cè)破損燃料元件中釋放出的裂變產(chǎn)物γ 譜儀，了解元件的破損狀態(tài)，在核電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，一旦燃料元件發(fā)生破損，冷卻水中含有表征燃料元件破損的核素輻射特性γ 射線，通過(guò)監(jiān)測(cè)這些核素特征γ 輻射的編號(hào)，分析判斷燃料元件是否發(fā)生破損、破損的數(shù)量和破口大小，并根據(jù)燃耗，分析判斷破損元件在堆芯的大致區(qū)域。原理如圖3 所示。

圖3 在線破損探測(cè)系統(tǒng)原理

2 國(guó)內(nèi)核電廠燃料破損檢測(cè)方法分析

國(guó)內(nèi)核電廠燃料組件破損檢測(cè)方法主要取決于破損燃料組件處理策略及電廠配備的破損檢測(cè)設(shè)備，根據(jù)國(guó)內(nèi)電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)分析，破損燃料組件檢測(cè)方法可按2 個(gè)階段分析。

2.1 運(yùn)行階段破損檢測(cè)分析

2.1.1 一回路放化分析

通過(guò)對(duì)一回路總γ、總β 及α 進(jìn)行日常監(jiān)督，對(duì)γ 譜的分析可得出一回路冷卻劑放射性物質(zhì)的種類和每種放射性物質(zhì)的活度，初步判斷堆內(nèi)是否存在燃料組件破損現(xiàn)象。一回路放化分析是核電廠日常監(jiān)督工作的要求。根據(jù)國(guó)內(nèi)核電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一回路放化分析是判斷堆內(nèi)是否存在燃料組件破損的有效手段，并能對(duì)燃料包殼破損大小提供一定參考，因此，該方法燃料組件破損檢測(cè)的必要手段之一。

2.1.2 燃料在線破損探測(cè)分析

燃料在線破損探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)探頭檢測(cè)一回路下泄管路，實(shí)時(shí)檢測(cè)分析一回路冷卻劑放射性釋放的情況，主要功能是判斷堆內(nèi)是否存在燃料組件破損。與一回路放化分析基本相同，但具有實(shí)時(shí)檢測(cè)功能，比一回路放化分析效率更高，主要不足是探頭壽命和供電保障問(wèn)題。由于功能與一回路放化分析基本一致，在開(kāi)展一回路放化分析的同時(shí)，該手段不是燃料破損檢測(cè)的必要手段。

2.2 卸料階段破損檢測(cè)分析

燃料卸料時(shí)主要可采取燃料組件破損在線啜吸檢查，燃料組件在乏池貯存后可開(kāi)展外觀檢查、離線啜吸檢測(cè)、超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)等手段。

2.2.1 在線啜吸檢查

燃料組件卸料時(shí)，通過(guò)啜吸探測(cè)漏損燃料棒漏出的Xe-133的γ 活度來(lái)判定燃料組件是否破損（或疑似破損）。在運(yùn)行階段檢查發(fā)現(xiàn)存在燃料組件泄漏的可能時(shí)，則需對(duì)壓力容器內(nèi)的燃料組件全部進(jìn)行在線啜吸試驗(yàn)，對(duì)壓力容器內(nèi)全部燃料組件逐組進(jìn)行在線啜吸試驗(yàn)，以定性地探測(cè)出泄漏或懷疑泄漏的燃料組件。根據(jù)國(guó)內(nèi)電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在線啜吸存在一定的不確定性，其破損檢測(cè)結(jié)果可能出現(xiàn)無(wú)破損或多組可疑等情況。因此建議在線啜吸檢測(cè)作為基礎(chǔ)檢測(cè)方法，不能作為判斷組件破損的定性依據(jù)。

2.2.2 燃料組件外觀檢查

當(dāng)燃料組件通過(guò)在線啜吸檢查得出啜吸因子判定為可疑或破損時(shí)，可使用水下電視檢查系統(tǒng)對(duì)燃料組件外圍燃料棒的外觀進(jìn)行檢查，主要檢查燃料棒外觀是否存在裂紋或破口。通過(guò)分析，此種檢測(cè)方法主要針對(duì)燃料結(jié)構(gòu)破損或異物造成燃料表面損傷較大的狀況，能通過(guò)肉眼看出燃料外表面破損情況。因此，建議在燃料組件定性判斷破損后再開(kāi)展水下電視外觀檢查，作為破損原因分析的參考。

2.2.3 離線啜吸檢測(cè)

離線啜吸檢測(cè)主要在乏池將破損（或疑似破損）燃料組件裝入啜吸室內(nèi)，用一定量的硼酸溶液對(duì)破損的燃料組件進(jìn)行沖洗浸泡或加熱，對(duì)硼酸溶液進(jìn)行放化分析或?qū)σ莩鰵怏w進(jìn)行活度檢測(cè)，從而定性檢測(cè)燃料組件破損、定量測(cè)量破口大小。根據(jù)國(guó)內(nèi)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該方法能定性判斷燃料組件破損，同時(shí)分析破口的大小。

2.2.4 超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)是在不拆燃料組件的情況下對(duì)燃料棒進(jìn)行超聲波探測(cè)，通過(guò)判斷燃料棒內(nèi)是否含有冷卻劑，判斷燃料組件是否破損及破損燃料棒的位置，對(duì)于一回路壓力較大的反應(yīng)堆具有較大可靠性，相比于離線啜吸裝置，優(yōu)點(diǎn)是成本低、占用空間小，不足是檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。

2.2.5 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)裝置需拆燃料組件，對(duì)單個(gè)燃料棒渦流檢測(cè)以確定破損燃料棒的缺陷位置及大小，檢測(cè)精度高于超聲。解體燃料組件存在一定風(fēng)險(xiǎn)，存在難度高、檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，因此不推薦渦流檢測(cè)作為燃料組件破損定性判斷的方法。

3 結(jié)論

燃料組件破損檢測(cè)主要流程如圖4 所示。

根據(jù)分析，推薦核電廠定性判斷燃料組件破損的基本方法：①一回路放化分析能基本判斷反應(yīng)堆內(nèi)是否存在燃料組件破損及破口大?。虎谠诰€啜吸裝置判斷燃料組件破損的范圍或疑似破損燃料組件；③離線啜吸裝置或超聲檢測(cè)裝置定性判斷燃料組件破損，其中離線啜吸裝置可判斷破口大??；超聲檢測(cè)裝置可判斷燃料組件內(nèi)燃料棒破損位置；④使用水下電視對(duì)定性破損的燃料組件進(jìn)行外觀檢查，為分析破損原因提供參考。

圖4 燃料組件破損檢測(cè)主要流程