核電廠燃料組件破損檢測方法及分析

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生的源泉，隨著燃料棒燃料芯塊中U-235 鏈式裂變產生能量，各種放射性核素隨之產生。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屏障，其完整性至關重要。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。根據國內核電廠在燃料組件破損檢測方面的實際經驗，分析燃料組件破損檢測設備、檢測流程和可靠方法，為研究燃料組件破損檢測工作提供參考和工作思路。

1 燃料破損檢測設備及原理

燃料破損檢測設備主要有在線啜吸檢測裝置、離線啜吸檢測裝置、超聲檢測設備、渦流檢測設備和燃料在線破損探測系統。其中離線啜吸檢測裝置、超聲檢測設備和渦流檢測設備屬于離線燃料破損檢查設備。

1.1 在線啜吸檢測裝置

在線啜吸檢測裝置一般安裝在裝卸料機上，反應堆換料卸料時，裝卸料機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，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向外釋放，同時，啜吸檢查系統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水面上，位于此處的抽氣管把這部分氣體抽入γ，β 活度測量系統進行檢測。測量出其放射性活度，為判斷燃料組件是否破損提供依據。在線啜吸裝置放射性活度測量系統有檢測γ 活度和β 活度兩種方式。原理如圖1 所示。

圖1 在線啜吸裝置原理

1.2 離線啜吸檢測裝置

離線啜吸檢測裝置安裝在乏燃料廠房內，用于定性檢測輻照燃料組件的嚴密性和定量檢測燃料包殼破損的大小。原理是將燃料組件裝入啜吸室內，用一定量的硼酸溶液對破損的燃料組件進行沖洗浸泡或加熱，完成流程后對硼酸溶液進行放化分析或對逸出氣體進行活度檢測，從而達到定性檢測燃料組件破損、定量測量其破口大小的目的。

離線測量：取氣樣和水樣到放射化學實驗室分析、比較加熱前后流體中γ 活度，可定性探測被檢測燃料組件的嚴密性，并定量確定裂紋的大小。通過確定裂變產物泄漏的穩(wěn)定化動力學模型評價燃料組件破損的當量直徑。

1.3 超聲檢測裝置

超聲檢測裝置利用不拆燃料組件就可以對燃料棒進行檢查的超聲波技術。檢查時超聲波探頭通過燃料棒的行間空隙，發(fā)出超聲波在燃料棒包殼內傳播，受包殼內介質（水或氣體）的影響，超聲波在包殼-水界面相對于包殼-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度會大大衰減，信號反映在示波器上，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 超聲檢測裝置原理

檢查時，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 渦流檢測裝置

渦流檢測是基于電磁感應的一種非破壞性檢測技術。當渦流線圈與被檢燃料單棒作相對運動時，通過線圈一定頻率的交變電流在包殼周圍產生一個交變磁場。燃料棒包殼在這個交變磁場的作用下，感應出同樣頻率的渦流。如果包殼存在缺陷，渦流流動隨之發(fā)生變化，引起線圈特性變化，在渦流儀上會反映出相應的渦流信號，與已知的缺陷信號比較，就能判斷燃料棒包殼的缺陷狀況。

1.5 燃料在線破損探測系統

燃料在線破損探測系統根據裂變產物及其釋放到冷卻劑中的機制，根據燃料組件包殼發(fā)生破損后，部分易揮發(fā)性裂變產物會向冷卻劑中釋放的原理，通過監(jiān)測破損燃料元件中釋放出的裂變產物γ 譜儀，了解元件的破損狀態(tài)，在核電機組運行過程中，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，通過監(jiān)測這些核素特征γ 輻射的編號，分析判斷燃料元件是否發(fā)生破損、破損的數量和破口大小，并根據燃耗，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 在線破損探測系統原理

2 國內核電廠燃料破損檢測方法分析

國內核電廠燃料組件破損檢測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設備，根據國內電廠運行經驗分析，破損燃料組件檢測方法可按2 個階段分析。

2.1 運行階段破損檢測分析

2.1.1 一回路放化分析

通過對一回路總γ、總β 及α 進行日常監(jiān)督，對γ 譜的分析可得出一回路冷卻劑放射性物質的種類和每種放射性物質的活度，初步判斷堆內是否存在燃料組件破損現象。一回路放化分析是核電廠日常監(jiān)督工作的要求。根據國內核電廠運行經驗，一回路放化分析是判斷堆內是否存在燃料組件破損的有效手段，并能對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的必要手段之一。

2.1.2 燃料在線破損探測分析

燃料在線破損探測系統通過探頭檢測一回路下泄管路，實時檢測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，但具有實時檢測功能，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題。由于功能與一回路放化分析基本一致，在開展一回路放化分析的同時，該手段不是燃料破損檢測的必要手段。

2.2 卸料階段破損檢測分析

燃料卸料時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展外觀檢查、離線啜吸檢測、超聲檢測、渦流檢測等手段。

2.2.1 在線啜吸檢查

燃料組件卸料時，通過啜吸探測漏損燃料棒漏出的Xe-133的γ 活度來判定燃料組件是否破損（或疑似破損）。在運行階段檢查發(fā)現存在燃料組件泄漏的可能時，則需對壓力容器內的燃料組件全部進行在線啜吸試驗，對壓力容器內全部燃料組件逐組進行在線啜吸試驗，以定性地探測出泄漏或懷疑泄漏的燃料組件。根據國內電廠運行經驗，在線啜吸存在一定的不確定性，其破損檢測結果可能出現無破損或多組可疑等情況。因此建議在線啜吸檢測作為基礎檢測方法，不能作為判斷組件破損的定性依據。

2.2.2 燃料組件外觀檢查

當燃料組件通過在線啜吸檢查得出啜吸因子判定為可疑或破損時，可使用水下電視檢查系統對燃料組件外圍燃料棒的外觀進行檢查，主要檢查燃料棒外觀是否存在裂紋或破口。通過分析，此種檢測方法主要針對燃料結構破損或異物造成燃料表面損傷較大的狀況，能通過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

離線啜吸檢測主要在乏池將破損（或疑似破損）燃料組件裝入啜吸室內，用一定量的硼酸溶液對破損的燃料組件進行沖洗浸泡或加熱，對硼酸溶液進行放化分析或對逸出氣體進行活度檢測，從而定性檢測燃料組件破損、定量測量破口大小。根據國內運行經驗，該方法能定性判斷燃料組件破損，同時分析破口的大小。

2.2.4 超聲檢測

超聲檢測是在不拆燃料組件的情況下對燃料棒進行超聲波探測，通過判斷燃料棒內是否含有冷卻劑，判斷燃料組件是否破損及破損燃料棒的位置，對于一回路壓力較大的反應堆具有較大可靠性，相比于離線啜吸裝置，優(yōu)點是成本低、占用空間小，不足是檢測時間長。

2.2.5 渦流檢測

渦流檢測裝置需拆燃料組件，對單個燃料棒渦流檢測以確定破損燃料棒的缺陷位置及大小，檢測精度高于超聲。解體燃料組件存在一定風險，存在難度高、檢測時間長等問題，因此不推薦渦流檢測作為燃料組件破損定性判斷的方法。

3 結論

燃料組件破損檢測主要流程如圖4 所示。

根據分析，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堆內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?。怀暀z測裝置可判斷燃料組件內燃料棒破損位置；④使用水下電視對定性破損的燃料組件進行外觀檢查，為分析破損原因提供參考。

圖4 燃料組件破損檢測主要流程