乏燃料水池轉運艙氦質譜檢漏技術的應用

趙 偉，王金龍，汪兆軍，趙 玄

(中核武漢核電運行技術股份有限公司, 武漢 430223)

核電站乏燃料水池轉運艙如果出現超過系統規定限值的放射性物質泄漏，會引起污染區域擴散，人員受輻射劑量增加，從而帶來一定的核安全風險。因此，研究乏燃料水池的泄漏問題，并制定相應的檢測方案，查找出泄漏位置是很有必要的。

1 檢測對象的結構

核電廠乏燃料轉運艙水池屬核安全二級設備．是轉運核燃料組件的區域。為防止放射性含硼水泄漏，混凝土水池內壁會設計有一層鋼襯里，通常稱鋼覆面。鋼覆面以混凝土墻或底板中預埋的支撐骨架為墊板進行組對焊接。整個乏燃料轉運艙水池為長方體形狀，池底部有一臺倒料機，其在換料期間轉運燃料組件，負載運作，對池底鋼敷面施加壓力，轉運艙結構示意見圖1。在轉運艙底部有一引流管，用于收集從水池鋼覆面泄漏出的水。

圖1 乏燃料轉運艙結構示意圖

2 泄漏理論分析

水池轉運艙的工作介質為水，檢測使用的介質為空氣和氦氣，故需將液體的泄漏率轉換為氣體的泄漏率，轉換公式如式(1)所示。

(1)

對比正常大氣壓下的氣體泄漏率，可換算出不同氣體的泄漏率，但其并不能反映真實的泄漏率，目前對流體的泄漏率測量還沒有一個較為精確的手段。文章采用估算的公式來計算的泄漏率。

空氣的動力黏度為ηq=1.84×10-5Pa·s，可得Qq=1.035×10-7×10-2Pa·m3·s-1，即該系統用空氣檢漏時，泄漏率為1.035×10-2Pa·m3·s-1。

3 檢漏難點和方法選擇

乏燃料水池的檢漏受以下幾個因素影響。

(1) 殘留水干擾。乏燃料水池轉運艙泄漏后，水池鋼敷面與混凝土墻會殘留大量流出水，在現有條件下，無法去除這些殘留水，從而對檢測產生較大影響。

(2) 池壁冷凝水干擾。核電站位于沿海地帶，空氣濕度大，鹽分含量高，空氣中的水份易在池壁內壁凝結成水，長時間后形成水滴，存在堵塞泄漏口的可能性。

(3) 檢測靈敏度問題。通過液體泄漏率換算出的氣體泄漏率為1.005×10-2Pa·m3·s-1，則所選擇的檢漏方法靈敏度要高于10-3Pa·m3·s-1(要高于所測泄漏率一個數量級)。

(4) 池壁尺寸因素。水池尺寸為深12 m，長15 m，寬3 m，池壁的面積大會延長檢測人員的工作時間，而增加其受輻射風險。

(5) 沾污風險。該乏燃料水池轉運艙已服役，池壁表面有放射性物質，存在放射性污染，增加了檢漏工作的實施難度和風險。

(6) 本底干擾。水池為半開口式結構，采用氦氣為示蹤氣體時，會干擾儀器的顯示值。

(7) 鋼敷面承壓。鋼敷面設計時，承受正向壓力，并不能承受背面(指鋼覆面與水接觸面的反面)的正向壓力。

通過分析，對以上的難點可采取以下的應對措施：對于(1)中的問題，可以排空水池中的水并空置2個月，以使殘留水盡可能減少；對于(2)中的問題，可將檢測時機選擇在秋冬季，如來年2月前，此時空氣中水蒸氣少，濕度對于泄漏率的影響會降低；對于(3)中的問題，可采用真空罩氣泡法和質譜儀吸槍氦罩法來解決，這兩種方法采用空氣和氦氣等作為特征氣體，對鋼覆面無腐蝕，且空氣和氦氣不易殘留，較易排空，后期處理簡單；對于(4)和(5)中存在的問題，應用核電站積累的相關工程經驗可以消除。

綜上所述，可采用的方法為真空罩氣泡法和質譜儀吸槍氦罩法，真空罩氣泡法的最小檢測靈敏度為10-5Pa·m3·s-1，質譜儀吸槍氦罩法最小檢測靈敏度為10-9Pa·m3·s-1。第一步采用真空罩氣泡法對鋼覆面的焊縫進行檢測，如未發現缺陷，擴大檢測范圍；第二步將水池底面與側面的母材和焊縫，分成數個檢測區域，每個區域相互隔離，避免氣體逸散，采用氦罩法對池壁進行檢測，快速查尋到泄漏的大致范圍后，再采用真空罩氣泡法進行精確定位。

3.1 氦質譜儀吸槍氦罩法檢測原理

氦質譜儀吸槍氦罩法檢測設備主要由氦質譜儀、吸槍和輔助泵、塑料膜、氦氣等組成(見圖2)。其基本原理是用塑料膜將被檢件的外部覆蓋住，以保證其密封性，被檢件的內部充入一定的氦氣，吸槍插入塑料膜內進行檢測，如果有泄漏，氦質譜儀讀數超過本底值，表明被塑料膜覆蓋的區域有泄漏。吸槍氦罩法的檢測靈敏度為10-210-9Pa·m3·s-1。吸槍檢漏時，檢漏儀的反應值與檢漏儀的入口壓力和收集包的體積無關[1]，故可以采用面積較大的塑料膜覆蓋鋼覆面，使用數量較少的塑料收集包，在較快的時間內完成塑料收集包的制作。實際泄漏率可由式(2)得到。

QL=K·Qs/β

(2)

式中:QL為實際泄漏率；K為機器因子；Qs為儀器讀數；β為氦氣濃度。

圖2 氦質譜儀吸槍氦罩法檢測設備框圖

3.2 真空罩法檢測原理

真空罩檢漏技術屬于氣泡泄漏檢漏法的一種，檢漏設備主要由真空罩、真空泵、真空表、放氣閥等組成[2]。該方法主要用于檢測不能直接加壓的承壓部件的泄漏。其原理和基本方法為：在被檢部件局部區域涂刷起泡劑，并在其上放置真空罩，對真空罩抽真空以使局部區域的內外兩側形成壓力差，如果被檢部件中存在穿透性缺陷，則缺陷位置處的起泡劑會因氣體通過而形成氣泡，氣泡冒出的位置可判定為漏孔位置，根據泄漏點氣泡的大小和出現頻次可判斷泄漏程度。真空罩氣泡法的靈敏度為10-410-5Pa·m3·s-1，其檢測原理示意如圖3所示。

圖3 真空罩氣泡法檢測原理示意

氣泡位于液面上方時，氣泡內的壓力Pb可用式(3)表示。

pb=pa+4σ/Db

(3)

式中：Db為測得氣泡的直徑；σ為表面張力系數；Pa為大氣壓力。

對應于檢測溫度T和氣泡內的壓力Pb，泄漏率如式(4)所示。

(4)

式中：n為氣泡形成的頻率;D為氣泡直徑。

折算到標準狀態下氣體的泄漏率為(對于液面上方的氣泡)[3]

(5)

式中:Ts,Ps分別為標準狀態下的溫度，氣壓。

由式(3)(5)可以推導出氣泡泄漏法檢測時的泄漏率，但并不是很精確，其可以作為一個參考值來研判泄漏率的數量級。

4 檢測分區的建立

先采用真空罩氣泡法對鋼覆面焊縫進行檢測，若未發現缺陷，擴大檢測范圍，再次用氦質譜儀吸槍氦罩法進行檢測。

4.1 真空罩氣泡法檢測分區的建立

真空罩氣泡法操作方便，對檢測順序的要求不高，對鋼覆面焊縫采用自上而下的方式進行檢測。

4.2 氦質譜儀吸槍氦罩法檢測分區的建立

參考文獻[1]中提到①吸槍法可以對單點泄漏率進行定量檢測；②吸槍檢漏時，檢漏儀的反應值與檢漏儀的入口壓力和收集包的體積無關；③收集包的體積與檢漏儀的入口壓力會影響測試的時間，為縮短吸槍檢漏的周期，可以采用較小的收集體積和較大的入口壓力。

由于轉運艙鋼覆面的檢測區域較大，故收集包采取以下的分布方案：① 對于壓應力小的區域采用體積大的塑料收集包；② 對于壓應力大的區域采用體積小的塑料收集包。

根據鋼敷面的結構以及流體的流向，將其分為三個大區域，分別為W、B、F，其中W區為側面墻壁，分為12個小區；B區為底面，分為12個小區；F區為前部和尾部，分為4個小區，具體分布如圖4所示。可見，W區靠近引流管，F區距離引流管較遠，B區與引流管距離最近，B區采用體積大的收集包，W區和F區采用體積小的收集包。

圖4 檢測分區示意

5 檢測結果

5.1 真空罩氣泡法的檢測結果

采用表1所示的檢測參數，實施檢測(檢測時間為2018年4月)。

表1 真空罩氣泡法的檢測參數

對高度2 m以下的鋼覆面焊縫檢測未發現氣泡。

5.2 氦質譜儀吸槍氦罩法的檢測結果

檢測參數見表2，檢測時間為2019年1月份。

充入氦氣40 L，體積濃度為15%，充入完成后，5 min內收集包的數據如表3所示。

表2 氦質譜儀吸槍氦罩法的檢測參數

充入氦氣40 L，體積濃度為15%，充入完成后，20 min內收集包的數據如表4所示。

表3 5 min內收集包的泄漏顯示值 Pa·m3·s-1

根據采集所得的數據，得出如圖5所示的泄漏區域分布示意，從圖5可知，以B9區域為中心，B7、B10、B11以及W5共5個區域存在泄漏的可能性，根據文獻可知，0.1 mm的泄漏孔對應著10-1Pa·m3·s-1泄漏率，0.01 mm的泄漏孔對應著10-3Pa·m3·s-1泄漏率，0.1 mm和0.01 mm的泄漏孔可以通過肉眼觀察到，分析有以下的可能性：① B9、B7、B10、B11、W5這5個區域都有泄漏，但是泄漏點的泄漏率不超過10-4Pa·m3·s-1，為多個小泄漏點的累積泄漏；② B9區域存在大的泄漏點，因收集包和固定膠布固有的密封性問題，收集包的密封性能不足以密封住氦氣，存在氦氣彌散至附近區域的現象，B7、B10、B11、W5區域的顯示值高于本底是受到了B9區域泄漏點的影響。

表4 20 min內收集包的泄漏顯示值 Pa·m3·s-1

圖5 泄漏區域分布示意圖

通過重新測量，找到位于池底母材上的區域B9，儀器讀數為6×10-6Pa·m3·s-1，超過本底3個數量級，機器因子為1 000。機器因子是在內部校準后要考慮的檢漏儀與測量模式以及使用的測量模式(GROSS/FINE)下抽真空系統中泵的有效氦抽速之比。最終的檢測結果是測量漏率與機器因子的乘積。B9區域泄漏點的測量值如表5所示。

表5 B9區域泄漏點的4次測量值

經過核算，得出真實的泄漏值為

3.6×10-2Pa·m3·s-1

后續采用真空罩氣泡法進一步確認，檢測參數如表1所示。真空罩氣泡法驗證后σ=7.2×10-2N·m-1，氣泡直徑為5 mm，n為4，真空度為-0.05 MPa。得出Ls為1.3×10-2Pa·m3·s-1，QL為3.6×10-2Pa·m3·s-1，兩者換算的值在同一數量級內，表明泄漏值的數量級是準確的。

6 結論

(1) 氦質譜儀吸槍氦罩法和真空罩氣泡法是有效的檢漏方法，兩者結合起來，可明顯地檢測出10-4Pa·m3·s-1以下泄漏率的泄漏點，并大幅提高檢測效率。

(2) 沿海地帶濕度大，易形成冷凝水附著于鋼覆面上從而堵塞缺陷口，應在排空水池干燥2月后，來年后的2個月份前進行檢測為佳。

(3) 服役期間的燃料水池，低放射性環境對泄漏檢測無影響。