壓水堆核電廠控制棒壽命分析

摘要：核電廠控制棒組件在反應堆堆芯承擔功率調整和安全停堆重要功能。良好狀態下的控制棒組件是核電廠安全運行的基本保障。近年來，國內外核電廠控制棒組件落棒試驗超差，卡棒和破損等事件時有發生，嚴重影響到了反應堆安全和電廠可靠性。國內核電廠控制棒運行經驗少，且沒有控制棒更換的相關法規或標準，這使得對控制棒壽命分析尤為重要。本文通過對壓水堆核電廠控制棒在反應堆運行過程中的主要缺陷分析，以及對控制棒在各循環棒價值測量數據分析，提出了壓水堆核電廠控制棒使用壽命建議。

關鍵詞：控制棒組件；缺陷分析；壽命分析

中圖分類號： TL421 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1 引 言

控制棒組件在反應堆堆芯擔任反應堆功率調整、安全停堆重要功能。其本身的可靠性，直接影響反應堆的安全。隨著核電站運行時間的增長，控制棒輻照累計劑量增加和在燃料組件導向管中摩擦次數增加，控制棒可能發生如下損傷：磨損、腫脹和裂紋。控制棒組件價值昂貴，國內控制棒更換周期沒有明確限制，本文探討了壓水堆控制棒組件運行過程中出現的主要缺陷以及堆內物理試驗數據結果分析，提出了壓水堆控制棒使用壽命建議，以供參考。

2、控制棒運行過程的缺陷分析

在反應堆運行過程中，控制棒組件處于高溫、高壓和高放射性的特殊工況下，在其包殼上可能產生磨損、腫脹和裂紋等典型的缺陷。這三種缺陷的產生和發展是關系到控制棒組件能否繼續入堆使用的重要依據。

2.1 磨損缺陷

控制棒在反應堆中，其棒體不同區域相對導向管所處的位置不同，具體工況會存在差異，從而導致出現不同的缺陷。通常按運行期間控制棒位置，將控制棒包殼分為三種區域：板塊區域、常規區域和尖部區域。板塊區域為控制棒與導向管端部接觸的區域；常規區域為控制棒未插入燃料組件且未與導向管端部接觸的區域；尖部區域為控制棒停留在燃料組件內的區域。

反應堆正常運行時，控制棒上部較長范圍處在燃料組件的上方（包括常規區域和部分板狀區域），而僅有下部一段停留在燃料組件導向管中（包括尖部區域和部分板狀區域）。其中板狀區域由于受水流沖擊影響，控制棒會頻繁與導向管端部相碰撞，從而產生微震磨損。所以絕大部分的微震磨損均出現在板狀區域，常規區域和尖部區域不會出現此類磨損。另一種情況為控制棒在反應堆正常運行期間做上下步進運動時，由于與導向管之間不可避免會存在局部摩擦，最終導致產生磨損，即步進磨損和急停磨損。

磨損缺陷的出現是一個長期過程，若控制棒包殼管磨穿，控制棒吸收材料（銀-銦-鎘合金）進入一回路系統，會加速一回路管道腐蝕速率。

2.2 腫脹缺陷

控制棒包殼材料接受高溫、高壓和高劑量中子照射，內部的缺陷聚集，造成包殼材料的輻照腫脹；銀-銦-鎘吸收體受熱和吸收中子體積膨脹，當膨脹體積超過包殼內徑時，將導致包殼腫脹現象的發生。對于控制棒下端的尖部區域，由于反應堆正常運行期間始終停留在燃料組件內，會大量吸收熱量和中子，且此區域的輻照強度非常高，在服役一定時間后，在此區域將更容易出現腫脹現象。

控制棒包殼管輻照腫脹，將直接導致控制棒落棒時間超差，甚至卡棒。

從控制棒無損檢測數據分析看出，控制棒組件棒體直徑變化和是否擔當主調節棒有很大關系，擔當主調節棒次數越多，控制棒體平均直徑、直徑最大值都大。這與腫脹產生機理結論是一致的。

不銹鋼材料輻照腫脹經驗指出：當不銹鋼輻照中子積分通量達到1022n/cm2以上后，材料內部缺陷在一定的條件下就會聚集，造成不銹鋼材料的輻照腫脹。腫脹量與輻照溫度、中子注量有關，堆芯滿功率穩定運行情況下，輻照溫度變化不大，因此，腫脹量與中子注量成正比。650MWe壓水堆核電機組堆芯滿功率運行時快中子通量（E>0.82Mev，n/cm2.s）約為3×1013 n/cm2.s，一個燃料循環運行時間約為2.6×107s，進行如下簡單計算：

從上述經驗公式估算值可以看出，正常運行的控制棒組件在堆內服役十二、三年后就會發生包殼管可記錄的腫脹，這也與國內外控制棒檢查結果一致。

推行控制棒換位策略，即考慮主調節棒換位，是一個非常可行的控制棒延壽措施。

2.3 裂紋缺陷

隨著核電站運行時間的增長，金屬材料的性能逐漸降低，對于控制棒這種處在高溫、高壓和強放射性等極其惡劣的特殊工況下的材料，其性能降低的速度更加明顯，極易導致裂紋缺陷的產生。當控制棒包殼發生腫脹時，由于張力的增加勢必加速裂紋缺陷的產生，所以在出現腫脹缺陷的同時伴隨有裂紋缺陷。因此在控制棒組件運行中后期，應加強裂紋缺陷的檢查。裂紋缺陷最終會導致控制棒包殼管破裂，銀-銦-鎘吸收體進入一回路，在運行期間會增加凈化系統的負擔，停堆后會增加檢修操作劑量。

上述三種主要控制棒缺陷，直接影響控制棒使用壽命。可通過無損檢查，對比分析控制棒組件狀況、缺陷產生發展變化和趨勢，預測控制棒組件失效時間，從而有效提供控制棒調整、更換依據，達到控制棒組件良好監測目的。

3、物理試驗中控制棒數據結果分析

650MWe壓水堆核電機組全部采用銀-銦-鎘合金作為控制棒吸收體材料，即傳統意義上的黑棒。這是因為鎘的熱中子吸收截面很大，銀和銦對于能量在超熱能區的中子又具有較大的共振吸收能力。另外，該控制棒材料單位體積中含吸收體核數較多，而且它吸收中子后形成的子核也具有較大的吸收截面，吸收中子的能力不會受自身的“燃耗”的影響。

從圖1 機組各循環棒價值測量數據來看，所有結果都符合±10%的驗收準則，雖然結果有一定波動且有略微偏負的趨勢，但這可能跟理論計算結果、測量過程等相關，并不能說明控制棒有明顯的燃耗現象。因此，控制棒壽命不需要考慮其本身隨循環增加帶來的棒價值損失。

4、結論

RCC-C提到控制棒設計的基準是應考慮相關組件在堆內的時間至少為15年，這是從設計、材料和運行經驗中提出的設計要求，但國內并沒有相關法規或標準對控制棒組件更換的時間要求。

由于控制棒組件在壽期內的棒價值不變，并且在運行過程中銀-銦-鎘合金吸收體不釋放氣體，我們認為只要控制棒組件的機械完整性良好，能夠承受所有的運行載荷，特別是在緊急停堆和按步進操縱控制棒升降時由控制棒驅動機構所施加的最大載荷，控制棒的磨損、腫脹和裂紋沒有超出設定閾值，結合電站現場一些如換位策略等優化管理措施，控制棒組件15年使用壽命是可行的。

參考文獻

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