核電廠核燃料組件制造中的質(zhì)量管理實踐

朱玉隆 石中華 陳鳳杰

（中核核電運行管理有限公司，浙江 嘉興314300）

0 引言

目前， 秦山地區(qū)已有7 臺核電機組正在商運。 截至2014 年4 月30 日，秦二廠所有入堆核燃料組件約29 堆·年，維持“零破損”堆芯的良好記錄。 秦一廠所有入堆燃料組件15 堆·年，曾有13 組因運行異常發(fā)生破損且已全部修復(fù)， 自2002 年第七燃料循環(huán)開始至今未再出現(xiàn)破損。 秦三廠入堆燃料組件共破損35 組，破損率0.0003%，遠低于技術(shù)規(guī)格書要求的0.03%限值。 綜上，秦山地區(qū)的核燃料組件運行情況良好，反映出核燃料組件良好的制造質(zhì)量，同時也體現(xiàn)出核電廠在核燃料組件制造中的質(zhì)量保證實施有效。

1 制造中的質(zhì)量保證活動

秦山地區(qū)所用核燃料組件由中核建中核燃料元件有限公司和中核北方核燃料元件公司（以下簡稱“制造廠”）提供。核電廠對兩家制造廠采取了相同的質(zhì)量保證活動，分別有質(zhì)量計劃審查、合格性鑒定見證、產(chǎn)品見證、不符合項管理等。

1）質(zhì)量計劃審查

按照《核電廠物項制造中的質(zhì)量保證》（HAD003/08）的要求，制造廠編制《核燃料組件質(zhì)量計劃》并提交給核電廠。核電廠技術(shù)部門和質(zhì)保部門對質(zhì)量計劃進行審查，并在關(guān)鍵生產(chǎn)步序中設(shè)置質(zhì)量控制點。

2）合格性鑒定見證

制造設(shè)備、工藝和人員資格只有通過合格性鑒定或再鑒定后方能進行有關(guān)的制造活動。核電廠參加鑒定活動，查閱試驗和檢驗結(jié)果，了解鑒定結(jié)論。 首批燃料組件制造前，核電廠對工藝見證件進行全面監(jiān)督。

3）產(chǎn)品見證

核電廠派遣駐廠代表進行駐廠監(jiān)造，駐廠代表嚴(yán)格按燃料組件制造的相關(guān)法規(guī)、規(guī)范、合同以及制造質(zhì)量計劃、圖紙、技術(shù)條件等文件進行全過程制造質(zhì)量監(jiān)督。 通過駐廠監(jiān)造質(zhì)量控制模式，使燃料組件制造過程始終處于受控狀態(tài)，從而保證了燃料組件的制造質(zhì)量完全符合設(shè)計質(zhì)量技術(shù)要求。

4）制造不符合項管理

核電廠對I 類不符合項的處理由駐廠代表進行現(xiàn)場跟蹤，對II 類不符合項進行技術(shù)審批和駐廠代表跟蹤驗證， 對III 類不符合項進行技術(shù)審批和跟蹤驗證并負(fù)責(zé)關(guān)閉。

2 制造過程的質(zhì)量控制

駐廠代表對核燃料組件制造過程進行全面的質(zhì)量把關(guān)。在質(zhì)量計劃關(guān)鍵步序中實施質(zhì)量控制點見證和放行。核燃料組件制造主要有化工轉(zhuǎn)化、芯塊制備、零部件制造、燃料棒加工和燃料組件組裝等工序。

2.1 制造工序與組件破損關(guān)系

燃料組件在堆內(nèi)運行過程中因燃料組件的局部腐蝕、腫脹、氫脆、熱應(yīng)力集中以及金屬異物刮擦等因素會導(dǎo)致燃料包殼破損，從而造成放射性物質(zhì)進入冷卻劑中。以下制造工序的制造缺陷可能會導(dǎo)致組件破損：

1）制造工序“燃料棒上、下端塞焊接”的質(zhì)量缺陷引起破損

燃料棒在上、 下端塞焊接時因焊接工藝控制不當(dāng)而產(chǎn)生焊接缺陷，使得燃料棒在堆內(nèi)運行時裂紋擴展或穿孔，最終導(dǎo)致燃料棒破損泄露。

2）制造工序“燃料組件組裝拉棒”的質(zhì)量缺陷引起局部腐蝕開裂

燃料棒拉棒時產(chǎn)生點坑、劃傷等表面缺陷，特別是劃痕深度超過包殼厚度的10%。 這些表面缺陷在運行介質(zhì)中成為腐蝕源，誘發(fā)局部腐蝕，直到腐蝕穿孔使燃料棒包殼破損。

3）制造工序“芯塊的磨削淋洗烘干”的質(zhì)量缺陷造成包殼氫脆開裂

燃料棒內(nèi)的殘余水分和包殼進行鋯水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，裂變產(chǎn)物中也有少量氫氣，氫氣局部濃集將與包殼發(fā)生鋯氫反應(yīng)產(chǎn)生氫化物。 局部應(yīng)力使氫化物呈放射狀裂紋， 在溫度梯度的作用下不斷向外擴展，在包殼外壁形成突起和鼓包。在功率變化時產(chǎn)生的應(yīng)力使突起和鼓包破裂，最終造成包殼氫脆開裂。

4）制造工序“芯塊的清潔度檢查”和“芯塊的安裝”的質(zhì)量缺陷導(dǎo)致包殼應(yīng)力腐蝕開裂

反應(yīng)堆在運行過程中，由于芯塊熱導(dǎo)率小，芯塊中心溫度比周邊高很多，端部效應(yīng)使芯塊端面部分的徑向變形比芯塊中部嚴(yán)重，當(dāng)芯塊端面部分與包殼接觸時， 芯塊和包殼相互作用使包殼產(chǎn)生環(huán)脊，環(huán)脊處存在較大的應(yīng)力/應(yīng)變。 另外當(dāng)有異物卡塞在芯塊和包殼之間也會產(chǎn)生環(huán)脊而存在較大應(yīng)力/應(yīng)變。 局部的應(yīng)力/應(yīng)變的區(qū)域可能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕而破損。

5）制造工序“原材料和零部件檢驗”的質(zhì)量問題間接引起組件破損

包殼、格架、條帶等零部件的質(zhì)量不過關(guān)。 如包殼有微裂紋，在反應(yīng)堆內(nèi)運行時裂紋擴展使得包殼破損； 格架或條帶內(nèi)部缺陷變形，在裝卸料時造成格架或條帶與包殼發(fā)生刮擦，導(dǎo)致包殼受損。

2.2 關(guān)鍵工序的質(zhì)量控制

核電廠對燃料組件最終質(zhì)量有重要影響的工序進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。 包括會影響燃料組件破損工序、影響芯塊在堆型運行性能的工序等。 舉例如下：

1）焊接工藝合格性鑒定W 點見證；

2）燃料棒上、下端塞焊接的無損檢驗W 點見證；

3）燃料組件拉棒過程隨機監(jiān)督，組件外觀目視檢查W 點見證；

4）成品芯塊的清潔度檢查W 點見證；

5）各類原材料和零部件合格證W 點見證；

6）各階段性產(chǎn)品如粉末、芯塊、骨架、燃料棒、燃料組件等H 點見證放行；

7）其它關(guān)鍵環(huán)節(jié)W 點見證。 如燒結(jié)芯塊檢驗、磨削芯塊檢驗、導(dǎo)向管組裝件檢驗、骨架檢驗等。

3 問題及探討

核電廠已對燃料組件的制造過程實施了全面的質(zhì)量控制，但質(zhì)量管理工作還存在一些不足。

1)質(zhì)量控制點設(shè)置不完善

壓水堆核燃料組件上下端塞的焊接過程、芯塊烘干過程和芯塊安裝過程等未設(shè)置質(zhì)量控制點進行見證。對于以上可能會導(dǎo)致燃料組件破損的重要工序，核電廠應(yīng)加強質(zhì)量控制。

2）燃料組件拉棒后的檢查不充分

燃料組件拉棒過程可能出現(xiàn)劃傷，對于劃痕深度超過包殼厚度的10%則為不合格。 劃痕的深度的判斷通過目視的方式，可能會造成漏查或盲區(qū)不可達的情況。 因此，核電廠也應(yīng)增加拉棒過程的見證。

3）核電廠獲取同行的燃料運行信息的渠道不暢通

核電廠應(yīng)關(guān)注其它核電廠同類型燃料組件運行情況，以利于加強燃料管理，保持核電機組安全穩(wěn)定運行，但目前獲取信息渠道不通暢。核電廠應(yīng)與制造廠加強聯(lián)系，并定期獲取國內(nèi)外同行的燃料運行和操作異常事件的經(jīng)驗反饋資料。

4）制造質(zhì)量趨勢分析不足

燃料組件制造過程中會出現(xiàn)一些質(zhì)量偏差情況。 目前，制造廠已對芯塊、燃料棒等做質(zhì)量趨勢分析，但核電廠缺少質(zhì)量趨勢分析。核電廠也應(yīng)主動建立相關(guān)趨勢分析流程，及時向制造廠通報趨勢分析結(jié)果和改進建議。

5）進口原材料、零部件采購質(zhì)量控制問題

目前，核電廠對進口原材料和零部件在使用前進行最終檢驗報告的審查，但未參與制造廠組織的對國外供方的質(zhì)保監(jiān)查和產(chǎn)品源地驗收等質(zhì)量保證活動。 核電廠應(yīng)獲取制造廠的外部監(jiān)查計劃、供方源地評價計劃和源地驗收計劃，便于參與相關(guān)質(zhì)量保證活動，從最終用戶需求的角度進行驗證把關(guān)。

4 結(jié)束語

燃料包殼的完整性是核安全第一道屏障， 燃料組件是核電廠質(zhì)保QA1 級設(shè)備，因此對其制造過程實施的質(zhì)量管理活動也最全面。但在制造過程中存在一些問題，仍需要制造廠和核電廠共同努力來解決。

［1］HAD003/08 核電廠物項制造中的質(zhì)量保證[S].1986.

［2］HAD003/10 核燃料組件采購、設(shè)計和制造中的質(zhì)量保證[S].1989.

［3］HAF003 核電廠質(zhì)量保證安全規(guī)定[S].1991.