核燃料組件破損自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)的研制

朱性利,甘文軍,石志彬,蔡家藩,聶 勇

(1. 中核武漢核電運(yùn)行技術(shù)股份有限公司, 武漢 430223；2.海南核電有限公司, 昌江 572733)

核電站利用核燃料發(fā)生的受控自持鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所釋放的能量作為熱源發(fā)電。核燃料裝在由端塞密封的薄壁包殼內(nèi)，包殼作為核電站的第一道防護(hù)屏障，一旦發(fā)生破損，燃料棒中的放射性裂變產(chǎn)物會(huì)釋放到一回路的冷卻劑中，造成一回路設(shè)備放射性物質(zhì)增加，導(dǎo)致運(yùn)行期間設(shè)備維護(hù)人員受到輻照，給核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)不良影響。

在核反應(yīng)堆運(yùn)行、大修期間，可采取多種方法檢測(cè)堆內(nèi)是否存在燃料組件破損。運(yùn)行期間，可通過(guò)監(jiān)測(cè)冷卻劑和排氣的放射性濃度來(lái)確定是否存在燃料組件破損；停堆換料時(shí)或換料后，可通過(guò)啜吸法檢測(cè)多組疑似破損燃料組件，確定真正破損組件后，通過(guò)外圍視頻檢測(cè)法或超聲檢測(cè)法來(lái)定位組件中的破損燃料棒并對(duì)其進(jìn)行更換，換下來(lái)的組件則根據(jù)壽命周期狀態(tài)重新入堆或存放在乏燃料水池，換下來(lái)的破損燃料棒應(yīng)密封存放，以防繼續(xù)釋放放射性物質(zhì)和氣體[1-2]。

法國(guó)、美國(guó)等核電發(fā)達(dá)國(guó)家已對(duì)燃料組件破損超聲檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行過(guò)多年研究，研制了多種型號(hào)的檢測(cè)系統(tǒng)，并經(jīng)過(guò)十多年的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，證明該檢測(cè)技術(shù)的高效率和可靠性[3-4]。

筆者根據(jù)板波傳播原理和AFA 3G燃料組件及其他類(lèi)似燃料組件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制了一套破損燃料組件超聲檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)將多組薄片超聲板波探頭同時(shí)插入燃料組件間隙的檢測(cè)方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃料組件的破損檢測(cè)及對(duì)破損燃料棒在組件中的定位。文章介紹了該系統(tǒng)的工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)組成及研制過(guò)程，考慮到燃料組件超聲檢測(cè)的高風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的一些注意事項(xiàng)進(jìn)行了介紹。

1 檢測(cè)環(huán)境

在核電廠燃料廠房乏燃料水池內(nèi)實(shí)施破損燃料組件超聲檢測(cè)，乏燃料水池的主要環(huán)境參數(shù)如表1所示[5]。

表1 乏燃料水池主要環(huán)境參數(shù)

2 系統(tǒng)總體介紹

2.1 工作原理

燃料棒發(fā)生破損時(shí)，由于包殼內(nèi)外存在壓力差，反應(yīng)堆冷卻劑會(huì)從破損部位進(jìn)入燃料棒內(nèi)。超聲檢測(cè)時(shí)，探頭發(fā)出的聲波沿管壁傳播，傳播過(guò)程中板波能量不斷衰減，根據(jù)衰減情況便可判斷燃料棒內(nèi)側(cè)是否存在冷卻劑。燃料棒超聲檢測(cè)原理如圖1所示。若燃料棒內(nèi)部不含冷卻劑，板波在傳播過(guò)程中能量衰減較小[見(jiàn)圖1(a)]；若燃料棒內(nèi)部含有冷卻劑，板波在傳播過(guò)程中能量衰減很大[見(jiàn)圖1(b)]；將板波繞破損燃料棒衰減后的波幅與繞完好燃料棒衰減后的波幅進(jìn)行對(duì)比，即可判斷燃料棒是否存在破損[6]。

圖1 燃料棒超聲檢測(cè)原理示意

2.2 系統(tǒng)組成

破損燃料組件超聲檢測(cè)系統(tǒng)主要由掃查裝置、伺服控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 破損燃料組件超聲檢測(cè)系統(tǒng)組成示意

實(shí)施檢測(cè)時(shí)，首先在岸上將檢測(cè)設(shè)備放入調(diào)試水箱內(nèi)使用標(biāo)定組件進(jìn)行設(shè)備標(biāo)定；功能標(biāo)定完成后，使用燃料廠房輔助吊將水下檢測(cè)設(shè)備放入乏燃料水池，并使用燃料存儲(chǔ)格架對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行定位；定位完成后，使用燃料小車(chē)抓取被檢燃料組件并運(yùn)至檢測(cè)設(shè)備上方，再緩緩下放被檢組件至檢測(cè)設(shè)備，依靠檢測(cè)設(shè)備上的定位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)組件的定位，至此完成全部準(zhǔn)備工作，開(kāi)始進(jìn)行檢測(cè)。

超聲檢測(cè)系統(tǒng)包括薄片超聲板波探頭、超聲信號(hào)電纜、多通道超聲儀、標(biāo)定組件和模擬組件等。標(biāo)定組件與模擬組件采用與實(shí)際被檢燃料組件一致的包殼制作，并可模擬完整包殼及破損包殼兩種燃料棒狀態(tài)，標(biāo)定組件用來(lái)對(duì)超聲探頭進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)探頭功能進(jìn)行驗(yàn)證，模擬組件則用來(lái)檢驗(yàn)超聲探頭在被檢組件空隙間的通過(guò)性，并可模擬破損燃料棒、完好燃料棒及導(dǎo)向管、儀表管的超聲檢測(cè)信號(hào)。

掃查裝置可實(shí)現(xiàn)超聲板波探頭的步進(jìn)和進(jìn)給，保障超聲探頭能順利插入燃料組件空隙并實(shí)現(xiàn)對(duì)全部燃料棒的超聲檢測(cè)全覆蓋。掃查裝置主要包括底板、導(dǎo)向組件、探頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架、接線盒及應(yīng)急脫離組件等，是整套檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。探頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)探頭的步進(jìn)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢組件所有燃料棒的定位。導(dǎo)向組件由上部導(dǎo)向組件和下部導(dǎo)向組件組成。檢測(cè)時(shí)先依靠下部導(dǎo)向組件使整套檢查裝置能順利進(jìn)入乏燃料水池柵格內(nèi)，實(shí)現(xiàn)檢查裝置在水池內(nèi)的定位；然后依靠上部導(dǎo)向組件將燃料組件下管座導(dǎo)入檢查裝置，利用氣缸夾緊實(shí)現(xiàn)檢查裝置與被檢燃料組件的定位。為保證設(shè)備電氣故障時(shí)，超聲探頭能從組件中退出，掃查裝置設(shè)計(jì)有專(zhuān)用應(yīng)急脫離機(jī)構(gòu)。發(fā)生異常情況時(shí)，操作人員在燃料廠房的換料車(chē)上操作長(zhǎng)桿，使探頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)整體后退，從而可將燃料組件與檢查設(shè)備安全脫離，保證被檢組件的安全。

伺服控制系統(tǒng)可驅(qū)動(dòng)超聲探頭，主要包括直流永磁電機(jī)、位置反饋單元、運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器及系統(tǒng)連接電纜等。因乏燃料組件具有高輻照的特點(diǎn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需采取放射性輻照防護(hù)措施。為避免超聲探頭對(duì)位不準(zhǔn)，抵住燃料棒，對(duì)燃料棒造成損壞，探頭驅(qū)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)應(yīng)采取有效限力措施。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于被檢燃料組件相對(duì)于掃查裝置的定位，以及在超聲板波探頭插入組件時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭和近距離監(jiān)控?cái)z像頭兩部分。近距離監(jiān)控?cái)z像頭采用耐輻照攝像頭近距離對(duì)被檢燃料組件、超聲板波探頭實(shí)施監(jiān)視，避免在探頭進(jìn)給時(shí)抵住燃料棒，從而對(duì)燃料棒造成損壞；遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭則采用普通水下攝像頭對(duì)設(shè)備整體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

3 驗(yàn)證過(guò)程

完成超聲檢測(cè)系統(tǒng)研制后，為滿(mǎn)足破損燃料組件現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求，需進(jìn)行一系列驗(yàn)證試驗(yàn)，如水下密封試驗(yàn)、標(biāo)定組件及模擬組件信號(hào)測(cè)試、乏燃料貯存水池工作驗(yàn)證、耐輻照性能驗(yàn)證、探頭高溫性能驗(yàn)證等。

3.1 標(biāo)定組件信號(hào)測(cè)試

標(biāo)定組件中的標(biāo)定棒為實(shí)際燃料單棒截取部分加工而成，其材料、結(jié)構(gòu)及尺寸均與實(shí)際燃料單棒一致，只是長(zhǎng)度較短，用于超聲探頭的標(biāo)定及檢測(cè)能力驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)按照固定時(shí)間間隔對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定棒按17X2布置，其中17根為破損標(biāo)定棒,17根為填充模擬芯塊的完好標(biāo)定棒，標(biāo)定組件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 標(biāo)定組件結(jié)構(gòu)示意

破損標(biāo)定棒內(nèi)填充細(xì)砂，其兩端為密封結(jié)構(gòu)，可防止在深水壓力下水進(jìn)入標(biāo)定棒內(nèi)。對(duì)破損標(biāo)定棒和完好標(biāo)定棒進(jìn)行超聲信號(hào)采集，并對(duì)其回波波高進(jìn)行對(duì)比。標(biāo)定棒的典型超聲檢測(cè)信號(hào)如圖4所示。

圖4 標(biāo)定棒的典型超聲檢測(cè)信號(hào)

由標(biāo)定組件信號(hào)測(cè)試結(jié)果可知，該超聲探頭及檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效識(shí)別完好標(biāo)定棒和破損標(biāo)定棒。

3.2 模擬組件信號(hào)測(cè)試

模擬組件完全模擬真實(shí)燃料組件布置，長(zhǎng)度較真實(shí)燃料組件較短，其包括上下管座、頂部擱架、底部擱架、結(jié)構(gòu)攪混擱架等；頂部擱架和底部擱架位置與真實(shí)燃料組件一致，在頂部擱架和底部擱架中間位置布置一結(jié)構(gòu)攪混擱架。模擬組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。模擬組件布置方式如圖6所示。

圖5 模擬組件結(jié)構(gòu)示意

圖6 模擬組件布置示意

安裝10個(gè)刀片探頭后，在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下將探頭插入模擬組件各棒間隙中，并對(duì)燃料棒實(shí)施超聲檢測(cè)，其中9號(hào)探頭的超聲檢測(cè)信號(hào)如圖7所示。

圖7 模擬組件9號(hào)探頭的超聲檢測(cè)信號(hào)

由模擬組件信號(hào)測(cè)試可知，該超聲檢測(cè)系統(tǒng)能夠有效識(shí)別模擬組件中的導(dǎo)向管、完好燃料棒與破損燃料棒。核反應(yīng)堆燃料組件中燃料棒檢查區(qū)域破損充滿(mǎn)水后，可采用該系統(tǒng)檢測(cè)組件是否破損，若存在破損，可對(duì)破損燃料棒進(jìn)行定位。

筆者采用模擬組件進(jìn)行了數(shù)十次測(cè)試，每次均能有效識(shí)別完好燃料棒和破損燃料棒，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率達(dá)100%。

3.3 輻照試驗(yàn)

入堆運(yùn)行后的核燃料組件是核電廠放射性最強(qiáng)的設(shè)備，據(jù)測(cè)量，其γ射線接觸劑量率可達(dá)104Gy·h-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于核反應(yīng)堆其他設(shè)備環(huán)境劑量，因此為驗(yàn)證破損燃料組件超聲檢測(cè)系統(tǒng)高輻照環(huán)境下的性能，需對(duì)其進(jìn)行輻照試驗(yàn)。

輻照試驗(yàn)設(shè)備體型較大，輻照源應(yīng)采用線源，避免因設(shè)備距離輻照源不同而引起吸收劑量差別較大。根據(jù)核燃料組件的放射性強(qiáng)度，采用的輻照線源活度為17.3萬(wàn)Ci。

采用輪式小車(chē)將掃查裝置及相關(guān)試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)到輻照室內(nèi)，固定平穩(wěn)。掃查裝置及超聲探頭外觀如圖8所示。

圖8 掃查裝置及超聲探頭外觀

通過(guò)輻照試驗(yàn)驗(yàn)證，檢測(cè)時(shí)探頭需插入被檢組件空隙，吸收劑量最大的超聲板波探頭在環(huán)境劑量為3 509 Gy·h-1的γ射線輻照下可正常工作，累計(jì)劑量達(dá)14 036 Gy時(shí)超聲探頭性能不受影響。

受輻照源活度限制，輻照驗(yàn)證試驗(yàn)的環(huán)境劑量率峰值為3 509 Gy·h-1，小于乏燃料組件的γ射線劑量率(104Gy·h-1)，但根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)抗輻照經(jīng)驗(yàn)估算，該檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足104Gy·h-1的輻照指標(biāo)要求。

2017年12月，經(jīng)海南省昌江核電廠2號(hào)機(jī)組乏燃料水池現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，受到乏燃料組件累計(jì)170 h的輻照后，該超聲檢測(cè)系統(tǒng)各項(xiàng)功能均正常。

3.4 超聲探頭高溫試驗(yàn)

經(jīng)查閱相關(guān)資料，乏燃料卸料后燃料組件內(nèi)部溫度可達(dá)4060 ℃，因此需驗(yàn)證超聲板波探頭的高溫工作性能。使用加熱設(shè)備將探頭附近水溫加熱到60 ℃，70 ℃和80 ℃，通過(guò)溫控系統(tǒng)保溫2 h，在加熱過(guò)程中持續(xù)對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，高溫試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲探頭信號(hào)穩(wěn)定，狀態(tài)良好。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證破損燃料組件超聲檢測(cè)系統(tǒng)具有可實(shí)施性，在整套系統(tǒng)完成調(diào)試、測(cè)試后，運(yùn)至核電廠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。驗(yàn)證過(guò)程模擬整個(gè)檢測(cè)流程，包括設(shè)備調(diào)試、水下安裝、標(biāo)定、檢測(cè)、檢測(cè)后數(shù)據(jù)分析、設(shè)備出水等。

利用燃料廠房行車(chē)將掃查裝置吊裝至乏燃料水池存儲(chǔ)格架，再利用掃查裝置下部的定位結(jié)構(gòu)插入存儲(chǔ)格架內(nèi)實(shí)現(xiàn)其定位、安裝，在確認(rèn)掃查裝置功能正常后，抓具抓取被檢燃料組件送至掃查裝置內(nèi)，開(kāi)始超聲檢測(cè)。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程需借助遠(yuǎn)處水下攝像頭及近距離耐輻照攝像頭進(jìn)行監(jiān)控，以保證被檢組件及掃查裝置安全。檢測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖9 檢測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)

通過(guò)設(shè)備水下安裝、標(biāo)定、檢測(cè)及設(shè)備從乏燃料水池格架移出等一系列現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，結(jié)果表明，研制的破損燃料組件系統(tǒng)具備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施破損燃料組件超聲檢測(cè)的能力。

4 注意事項(xiàng)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，為保證超聲檢測(cè)的順利進(jìn)行，并提高破損燃料棒的檢出率，需采取以下措施。

(1) 發(fā)現(xiàn)疑似破損燃料棒信號(hào)后，為避免因晶片與燃料棒間距不同而導(dǎo)致的信號(hào)差異，應(yīng)從被檢組件的4個(gè)面進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行相互印證，確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2) 必要時(shí)，可從不同高度對(duì)燃料組件實(shí)施檢測(cè)，經(jīng)查閱資料，底部?jī)蓪雍晚敳績(jī)蓪痈窦芨浇ǔ？砂l(fā)現(xiàn)絕大部分破損燃料棒，而中間位置的外表面附著物會(huì)對(duì)超聲檢測(cè)結(jié)果分析造成影響。

(3) 探頭組布置間距根據(jù)燃料組件中燃料棒間隙進(jìn)行布置，燃料組件在運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)發(fā)生彎曲變形，可能造成探頭組無(wú)法穿過(guò)燃料組件，可根據(jù)實(shí)際情況更換單探頭進(jìn)行檢測(cè)。

(4) 超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在破損燃料棒后，可通過(guò)外圍視頻檢測(cè)確認(rèn)檢測(cè)結(jié)果，并對(duì)破損燃料棒錄像，為后續(xù)破損燃料棒更換提供依據(jù)。

(5) 在進(jìn)行破損燃料組件超聲檢測(cè)后，通常會(huì)對(duì)破損燃料棒進(jìn)行更換，因此在對(duì)燃料組件進(jìn)行超聲檢測(cè)與修復(fù)時(shí)，應(yīng)采用統(tǒng)一的編號(hào)對(duì)燃料棒進(jìn)行定位，防止更換燃料棒時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

5 結(jié)論

(1) 破損燃料組件超聲檢測(cè)系統(tǒng)可有效識(shí)別標(biāo)定組件中的完好燃料棒與破損燃料棒。

(2) 該檢測(cè)系統(tǒng)可有效識(shí)別AFA 3G燃料組件中的完好燃料棒、破損燃料棒、導(dǎo)向管及儀表管的超聲信號(hào)。

(3) 該檢測(cè)系統(tǒng)在3 509 Gy·h-1的γ射線輻照下可正常工作，可承受的最大累計(jì)劑量大于14 036 Gy。

(4) 該檢測(cè)系統(tǒng)可在核電廠燃料廠房及乏燃料水池內(nèi)安裝，并通過(guò)換料機(jī)操作燃料組件，實(shí)現(xiàn)破損燃料組件的自動(dòng)超聲檢測(cè)。