鈉冷快堆內(nèi)置式燃料破損探測工藝系統(tǒng)研究

王剛++羅瑞

摘 要：本文主要介紹了法國Phenix快堆燃料破損緩發(fā)中子檢測系統(tǒng)和破損燃料組件在線定位探測系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)水平對(duì)內(nèi)置鈉取樣燃料破損探測與定位系統(tǒng)、方法和主要設(shè)備進(jìn)行技術(shù)成熟度和可靠性評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上提出內(nèi)置式燃料破損探測方案及具體化意見，為我國示范快堆（CFR600）、商用快堆內(nèi)置式燃料破損探測工藝研究提供理論參考。

關(guān)鍵詞：快堆 燃料破損 探測 定位 緩發(fā)中子

中圖分類號(hào)：TL364.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（c）-0098-04

由于快堆功率密度大、燃耗高，導(dǎo)致燃料元件輻照強(qiáng)、溫度梯度高。元件內(nèi)裂變氣體累積產(chǎn)生的高壓，尤其是燃料腫脹，加劇了燃料元件破損[1，2]。隨著MOX燃料和包殼材料與元件設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，燃料破損率會(huì)降低，但大型快堆和商業(yè)快堆的發(fā)展對(duì)燃料元件破損探測，特別是快速定位有非常高的要求。

目前較成熟的內(nèi)置取樣緩發(fā)中子探測系統(tǒng)是法國鳳凰（Phenix）、超鳳凰（Super-Phenix）快堆的燃料破損檢測、定位系統(tǒng)。本文主要參考法國快堆燃料破損緩發(fā)中子檢測系統(tǒng)和破損燃料組件在線定位系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)水平對(duì)內(nèi)置鈉取樣燃料破損探測與定位系統(tǒng)、方法和主要設(shè)備進(jìn)行技術(shù)成熟度和可靠性評(píng)價(jià)，從理論上提出內(nèi)置式燃料破損探測方案及具體化意見。

1 Phenix燃料破損緩發(fā)中子檢測與組件定位系統(tǒng)

緩發(fā)中子檢測系統(tǒng)的檢測方式主要有兩類，一類是安裝在堆芯容器外（外置式），測量先驅(qū)核素釋放的穿透堆芯容器的緩發(fā)中子；二是采用取樣方式，把鈉引到遠(yuǎn)離堆芯處進(jìn)行緩發(fā)中子探測。外置式的探測信號(hào)主要受堆芯泄漏的中子和γ射線的影響，盡管有中間換熱器等堆內(nèi)設(shè)備的屏蔽作用，本底仍比緩發(fā)中子信號(hào)強(qiáng)很多。特別是隨著快堆功率上升、堆芯主容器尺寸增加、流經(jīng)堆芯鈉流量增大，單根元件破裂釋放到鈉中的緩發(fā)中子先驅(qū)核素濃度會(huì)大幅降低，增加了堆芯容器壁面外置緩發(fā)中子探測的探測難度[3，4]。

1.1 Phenix燃料破損緩發(fā)中子檢測系統(tǒng)

Phenix采用鈉取樣方式進(jìn)行緩發(fā)中子監(jiān)測，沿堆芯容器周向布置與中間換熱器數(shù)目相同的采樣探測系統(tǒng)，并由主容器頂蓋垂直插入堆容器，一般靠近主泵側(cè)。頂蓋上布置的位置示意圖如圖1所示。每個(gè)內(nèi)置采樣系統(tǒng)有一個(gè)固定在堆容器內(nèi)周圍隔熱板上的笛形采樣管，高度在主容器鈉液面下2m左右，距離堆中心軸線徑向距離9m左右，且圓周采樣管在周向有一定交叉重疊，每個(gè)采樣堆芯管可以采集堆芯容器約1/6周長的鈉樣。多個(gè)探測器與交叉取樣還可以實(shí)現(xiàn)破損燃料元件的粗定位[5，6]。

1.2 燃料破損組件的定位系統(tǒng)

Phenix快堆的定位系統(tǒng)由電磁泵、切換閥、探測模塊、采樣管等設(shè)備構(gòu)成。電磁泵為取樣提供動(dòng)力，位于鈉液面以下，與堆芯容器外有專門的供電通道連接。取樣鈉經(jīng)過采樣管、切換閥，再進(jìn)入鈉液面以上的電磁流量計(jì)，然后進(jìn)入緩發(fā)中子檢測模塊，最后鈉流經(jīng)氣體分離器后返回鈉池。

Phenix總共有121根采樣管，連接在一個(gè)大基礎(chǔ)盤上，大切換閥每次選擇若干組，每組3根采樣管或一根采樣管，送到小切換閥，小切換閥又可以將對(duì)3組或一組進(jìn)行選擇輸送到電磁泵，最終形成3種采樣模式：G1模式，僅一根采樣管以獲得單個(gè)燃料組件出口鈉樣；G3模式，3根采樣管以同時(shí)獲得3個(gè)燃料組件出口鈉樣；Gn模式，同時(shí)獲得9根采樣管鈉樣，表示整體堆芯的鈉取樣（或者是有些采樣管作為專門的整體堆芯采樣而沒有特定地對(duì)準(zhǔn)某一個(gè)燃料組件鈉出口）。特別要指出的是，采用不同模式時(shí)，對(duì)燃料破損探測有很大區(qū)別，G1模式靈敏度為1800cps/cm2，G3模式靈敏度為600cps/cm2，而Gn模式時(shí)，靈敏度僅為15cps/cm2[7]。

2 燃料破損探測與定位系統(tǒng)可靠性分析

2.1 燃料破損探測與定位系統(tǒng)應(yīng)用

Phenix第一根破損元件的定位是采用G3模式進(jìn)行的，即每次取樣探測3根取樣管混合鈉樣的緩發(fā)中子。具體探測過程如下。

（1）反應(yīng)堆啟動(dòng)30d裂變氣體信號(hào)都很高，后期輕微降低。

（2）裂變氣體信號(hào)爆發(fā)，測量裂變氣體“年齡”。

（3）裂變氣體信號(hào)爆發(fā)8h后，緩發(fā)中子信號(hào)升高。其中有3個(gè)組件位置探測到的緩發(fā)中子信號(hào)超過比例為15%的閾值，其中又有一個(gè)探測位置有高得多的緩發(fā)中子信號(hào)。

（4）反應(yīng)堆繼續(xù)滿功率運(yùn)行6h，啟動(dòng)FFL系統(tǒng)以G3模式尋找破損元件。

（5）手動(dòng)停堆。

在整個(gè)FFL系統(tǒng)定位過程，還根據(jù)鈉流的流動(dòng)與混合情況、鈉取樣緩發(fā)中子探測器（FFD）信號(hào)等信息，輔助判斷破損燃料元件的大致位置。

Phenix于1980年又增設(shè)了一個(gè)裂變氣體的破損定位系統(tǒng)（Gas-LRG），以期在反應(yīng)堆不停堆的情況下，利用LRG系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“漏氣”燃料元件的定位?？傊?，Phenix破損燃料緩發(fā)中子檢測及在線定位系統(tǒng)能完成不停堆情況下的破損燃料檢測與定位，從而為快堆電站操作提供準(zhǔn)確信息。

2.2 可靠性與成熟度分析

內(nèi)置鈉取樣快堆燃料破損探測和定位系統(tǒng)已經(jīng)有近五十年的研發(fā)與應(yīng)用歷史，一些系統(tǒng)已有探測與定位實(shí)際快堆燃料破損的經(jīng)驗(yàn)，各國對(duì)已有的系統(tǒng)也有不少的改進(jìn)，中子探測器、電磁泵和切換閥等幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)備也有很好的研究、應(yīng)用和發(fā)展，技術(shù)和設(shè)備沒有不能克服的缺點(diǎn)。表1列舉和評(píng)述了內(nèi)置鈉取樣燃料破損探測與定位系統(tǒng)、方法和主要設(shè)備的基本情況、應(yīng)用例子和可靠性與成熟度。

綜合表1的分析，可以看出中子探測器（包括硼和氦）、單級(jí)單層切換閥和小流量沉沒式電磁泵（包括電導(dǎo)和感應(yīng)泵）都是可靠性高的設(shè)備，由它們組成的系統(tǒng)在多個(gè)快堆有穩(wěn)定和可靠的性能表現(xiàn)。

3 鈉冷快堆內(nèi)置式燃料破損探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

參考法國Phenix快堆燃料破損緩發(fā)中子監(jiān)測系統(tǒng)和破損燃料組件在線定位探測系統(tǒng)，采用可靠性高的探測設(shè)備，本文提出了研發(fā)燃料元件破損探測與定位合二為一系統(tǒng)的設(shè)想，基本的設(shè)想是：采用同一套系統(tǒng)同時(shí)承擔(dān)燃料破損探測和定位工作，即平時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行燃料破損探測，破損探測時(shí)切換閥不工作，并且設(shè)立專門的破損探測取樣管和切換閥相應(yīng)通道處于“常接通”位置，一旦檢測到破損，系統(tǒng)啟動(dòng)定位程序進(jìn)行破損組件定位。具體的方案是：endprint

（1）在快堆小旋塞（中心旋塞）中心測控柱布置燃料元件破損鈉中取樣探測與定位系統(tǒng)，系統(tǒng)由采樣管、切換閥、電磁泵（以上設(shè)備位于堆容器鈉液面下），流量計(jì)、鈉回?zé)崞鳎ㄎ挥诙讶萜麾c液面上）、鈉樣品室、中子探測單元、切換閥操作機(jī)構(gòu)、電器控制等（這些位于堆外）組成。如圖2示所示。

（2）整個(gè)破損探測與定位由這樣獨(dú)立的3～4套系統(tǒng)組成，每套系統(tǒng)有獨(dú)立的破損探測取樣管3～4根，全部破損探測專門采樣管數(shù)量為12根，取樣入口布置在堆芯周圍，并且每一根采樣管布置兩個(gè)標(biāo)高不同的取樣口；全部定位取樣管數(shù)量在60～120之間，鈉取樣口布置在燃料組件上方，每一根取樣管布置距離堆芯鈉出口平面距離約300mm取樣口，以使每根取樣管平均可以覆蓋6～9個(gè)燃料組件。取樣管覆蓋堆芯出口區(qū)域的示意如圖3示。

（3）發(fā)展一套根據(jù)相鄰多個(gè)采樣管（3～9個(gè)）定位探測信號(hào)，采用“三角測量”技術(shù)或中子通量比值方法等，精確定位破損燃料組件位置的信號(hào)處理軟件，主要是確定組件鈉流量（堆功率）對(duì)定位參數(shù)的影響。同時(shí)綜合裂變氣體探測信號(hào)的燃料元件年齡、氣體標(biāo)記等信號(hào)，獲得準(zhǔn)確定位的方法和實(shí)施步驟。

4 結(jié)語

隨著我國示范快堆、商用快堆的不斷發(fā)展，對(duì)快速探測和精確定位破損燃料提出更高的要求。結(jié)合現(xiàn)有快堆堆內(nèi)探測中較為成熟技術(shù)，本文提出的內(nèi)置式燃料破損探測與定位系統(tǒng)，能滿足大型快堆燃料破損探測、定位需求。用原來的燃料破損定位系統(tǒng)作為破損探測不僅可以去掉原有破損探測專門系統(tǒng)（這個(gè)一般安裝在靠近中間換熱器處），提高了系統(tǒng)可靠性及探測靈敏度。

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