福清核電站1、2號機組首循環燃料組件破口當量判斷

范柄辰，張 軍，葉張瀚，曹 剛

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

壓水堆核電廠通過核燃料(燃料芯塊)與中子發生裂變反應產生熱能，燃料包殼是包容這些放射性裂變產物的第一道安全屏障。一旦燃料包殼發生破損，裂變產物就會進入到冷卻劑中，造成環境劑量率升高，人員輻照增加，嚴重情況下機組需要依據技術規范要求進行后撤甚至停堆。在機組換料大修期間，M310機組通過燃料操作與貯存系統(以下簡稱PMC系統)的在線啜吸裝置初步篩選出可疑燃料組件和破損燃料組件，通過PMC系統離線啜吸裝置確認破損燃料組件并計算破損組件的破口當量，原則上破口當量大于35 μm的燃料組件不再入堆復用。

1 離線啜吸裝置的原理

離線啜吸裝置將燃料組件放置在啜吸室內，通過水回路和氣回路對啜吸室內的水氣進行循環，裝置原理圖見圖1，通過兩次升溫使燃料包殼內的壓力升高，如果燃料包殼有破損，則裂變產物就會從燃料包殼內部向啜吸室釋放，當燃料包殼內部的壓力與啜吸室內的壓力相同時即達到了平衡。根據氣回路NaI譜儀連續監測的133Xe釋放動力學曲線(見圖2)，通過133Xe第一次升溫平衡時間T1和第二次升溫平衡時間T2，即可判斷燃料的破口當量。通過人工取樣離線監測水回路中的水溶性裂變產物含量。

圖1 離線啜吸裝置原理圖Fig.1 Schematic of off-line sipping device

圖2 典型的133Xe釋放動力學曲線Fig.2 Typical 133Xe release kinetics curve

2 離線啜吸裝置的試驗條件

升溫速率和兩次升溫的平臺溫度對裂變產物從燃料包殼破口處釋放的速率影響較大。為確保不同破損燃料組件的升溫平衡時間具有可比性，升溫速率需維持在1 ℃/min或2 ℃/min。針對不同乏燃料貯存池(以下簡稱乏池)的水溫，第一溫度平臺和第二溫度平臺需采用表1中的溫度。

福清核電站101大修和201大修期間離線啜吸裝置的升溫速率為2 ℃/min，101大修采用了72 ℃和88 ℃的溫度平臺，201大修采用了55 ℃和80 ℃的溫度平臺，詳細數據見表2。

表1 針對不同乏池的水溫，第一、第二溫度平臺需采用下表中的溫度 Table 1 Temperature for different water temperatures, the first temperatures platform and the second temperature platform

表2 福清核電站1、2號機組離線啜吸裝置的試驗條件

3 破損燃料組件破口當量的判斷

3.1 破損燃料組件釋放的介質類型

由于破損燃料包殼內部存在液體冷卻劑和氣體裂變產物，根據燃料包殼內液位與破口的相對位置，升溫后釋放的介質可能是液體、氣體或先液體后氣體，示意圖見圖3。不同類型介質的釋放速率不同，判斷破損燃料組件的破口當量，首先要確認其釋放的介質類型。

圖3 破損燃料釋放介質的示意圖Fig.3 Schematic of damaged fuel release medium

熱中子裂變反應會產生大量的放射性裂變產物，主要包括Xe等氣體裂變產物，131I及其同位素，Cs的放射性同位素等。其中133Xe主要存在于氣體中，131I、134Cs和137Cs主要存在于液體中。因此通過水回路人工取樣監測131I、134Cs和137Cs的比活度，同時結合133Xe釋放動力學曲線是否有氣-液轉換的突躍，即可判斷升溫期間釋放的介質類型。

假設升溫前人工取樣分析131I，134Cs+137Cs的比活度分別為WS0，WS0′；第一溫度平臺人工取樣分析131I，134Cs+137Cs的比活度分別為WS1，WS1′；第二溫度平臺人工取樣分析131I，134Cs+137Cs的比活度分別為WS2，WS2′。如果WS1/WS0≈1或WS1′/WS0′≈1，則主要存在于液體中的裂變產物基本沒有釋放，第一次升溫期間只有氣體釋放。如果WS1/WS0?1和WS1′/WS0?1，則主要存在于液體中的裂變產物有部分釋放，如果133Xe釋放動力學曲線有氣-液轉換的突躍，則第一次升溫期間釋放的介質是先液體后氣體；如果133Xe釋放動力學曲線沒有氣-液轉換的突躍，則第一次升溫期間釋放的介質是液體。同理推知WS2/WS1≈1或WS2′/WS1′≈1，第二次升溫期間只有氣體釋放；如果WS1/WS0?1和WS1′/WS0′?1，第二次升溫期間釋放的介質類型可能是液體，也有可能是先液體后氣體，具體結合133Xe釋放動力學曲線是否有氣-液轉換的突躍來判斷。福清核電站101大修和201大修破損燃料組件水回路取樣結果和133Xe釋放動力學曲線見表3、表4和圖4～圖6。

表3 福清核電站1、2號機組破損燃料組件各溫度平臺的131I比活度

表4 福清核電站1、2號機組破損燃料組件各溫度平臺的134Cs+137Cs比活度

注：正常組件因燃料包殼完整無破損，其試驗結果與無組件本底的數據基本一致；同時每組疑似組件試驗結束后，都需要對離線啜吸裝置的水回路和氣回路進行沖洗檢測，確保離線啜吸裝置無沾污。因此為提升離線啜吸試驗的效率，本底值通常采用無組件本底的數據。

圖4 福清核電站1、2號機組破損燃料組件YQF03G的133Xe釋放動力學曲線Fig.4 133Xe release kinetics curve of the damaged fuel assembly YQF03G of Fuqing 1 and 2

圖5 福清核電站1、2號機組破損燃料組件YQF04G的133Xe釋放動力學曲線Fig.5 133Xe release kinetics curve of the damaged fuel assembly YQF04G of Fuqing 1 and 2

圖6 福清核電站1、2號機組破損燃料組件YQF059的133Xe釋放動力學曲線Fig.6 133Xe release kinetics curve of the damaged fuel assembly YQF059 of Fuqing 1 and 2

對于破損燃料組件YQF03G、YQF04G和YQF059，WS1/WS0?1和WS1′/WS0′?1，有可能是液體釋放，也可能是先液體后氣體釋放，結合圖4～圖6的133Xe釋放動力學曲線，破損組件YQF04G在第一次升溫期間133Xe的比活度有一個明顯的突躍，因此判斷其是先液體釋放后氣體釋放，而破損燃料組件YQF03G和YQF059在第一次升溫過程中主要是液體釋放；WS2/WS1≈1和WS2′/WS1′≈1，因此,第二次升溫期間主要是氣體釋放。福清核電站1、2號機組破損燃料組件升溫期間釋放的介質類型見表5。

表5 福清核電站1、2號機組破損燃料組件升溫期間釋放的介質類型

3.2 破損燃料組件破口當量的判斷

S.I.G.給出了一系列133Xe釋放動力學曲線，可通過查閱133Xe釋放動力學曲線判斷破口當量。較為繁瑣的曲線給實際應用帶來了一定的困難，為簡化使用難度，從中提取了兩個溫度平臺的平臺溫度、升溫速率、釋放的介質類型和升溫平衡時間等關鍵參數，制作了破損燃料組件破口當量與133Xe平衡時間關系，見表6。給出了破口當量為10 μm、15 μm、20 μm、25 μm，釋放介質為氣體的133Xe升溫平衡時間。給出了破口當量15～45 μm，間隔為5 μm的釋放介質為液體的133Xe升溫平衡時間。因此依據離線啜吸試驗結果，最終給出的破口當量也是一個范圍。假設破損燃料組件的破口當量為Φ，當某破損燃料第一次升溫的平衡時間T1大于已知破口當量ΦA的升溫平衡時間TA，T1小于已知破口當量ΦB的升溫平衡時間TB，則該燃料的破口當量ΦB<Φ<ΦA，同理推知升溫平衡時間為T2某破損燃料的破口當量，然后求上述兩個破口當量的并集。

參照表7，對于破損燃料YQF03G，其兩個溫度平臺分別為72 ℃和88 ℃，升溫速率為2 ℃/min，第一次升溫釋放的是液體，T1為28 min，對照表6中序號為8的133Xe升溫平衡時間，破口當量在35～40 μm；第二次升溫釋放的是氣體，T2為13 min，對照表6中序號為4的133Xe升溫平衡時間，T2?破口當量為25 μm的平衡時間，表中未給更大破口燃料組件的平衡時間，因此以第一次平衡時間為準，判斷破口當量為35～40 μm。對于破損燃料YQF03G，由于其第一次升溫期間釋放的介質是先液體后氣體，因此判斷其破口當量時以第二次升溫平衡時間來判斷，其破口當量為20～25 μm。同理推知破損燃料YQF059的破口當量為25～35 μm。

表6 破損燃料組件破口當量與133Xe升溫平衡時間關系表

表7 福清核電站1、2號機組破損燃料組件的升溫平衡時間

4 結論

福清核電站1、2號機組首循環期間燃料組件均出現破損的情況，通過離線啜吸試驗，摸索出了一套標準化的判斷方法，給出了破損燃料組件的破口當量，為后續M310和“華龍一號”堆型破損燃料組件破口當量的判斷提供了依據，具體的試驗方法如下：

1)選擇合適的離線啜吸試驗條件，依據乏池溫度選擇合適的溫度平臺，同時確保升溫速率維持在1 ℃/min或2 ℃/min。

2)通過人工取樣分析升溫前后的131I，134Cs和137Cs的比活度，結合133Xe釋放動力學曲線來判斷破損燃料組件釋放的介質類型。

3)依據平臺溫度、升溫速率及釋放介質類型，結合133Xe的升溫平衡時間，對照破損燃料組件破口當量與133Xe升溫平衡時間關系表，即可給出破損燃料組件的破口當量。