變形乏燃料組件裝載方法研究

盧 胡 祝 飛 黃 帥

（福建福清核電有限公司，福建 福清350300）

1 概述

燃料組件是由燃料骨架及264 根燃料棒組成，其中燃料骨架由導向管、儀表管、定位格架、上管座和下管座構成。燃料棒包殼的材質是Zr-4（鋯－錫合金），這種鋯合金包殼管受輻照伸長隨燃耗增加大致呈線性增長，增長為燃耗每增加10000 MWd/tU，燃料棒的軸向長度增加5 mm。故燃料組件由于材質的特性必然存在輻照變形。

2 燃料組件幾種常見的變形及風險分析

燃料組件受中子輻照影響必定會產生輻照變形，其變形主要有以下幾種典型形狀：C 型、S 型、傾斜、扭轉（分別如圖1）。在裝料過程中，由于缺乏實時的監測工具，只能通過載荷的變化，坐標的偏差來觀察及確認相關變形情況，進而采取相應的裝載方案。變形燃料組件的裝載主要的風險是一致的，如組件之間的刮擦、干涉，組件無法進入相應的下部堆內構件的定位銷等，但不同的變形情況幾種風險比重是不一樣的。

圖1 幾種常見的燃料組件變形

2.1 C 型組件的裝載風險

對C 型組件來說，一側中間突出的位置與已有的燃料組件或者相鄰需要裝載組件有接觸。在燃料組件下插的過程中，組件的摩擦力將受刮擦的位置及彎曲的大小影響，從而引發裝卸料機欠載。在刮擦過程中若兩個相鄰組件的導向翼互相刮擦，而導向翼的強度比引發欠載的載荷要小，裝卸料機欠載保護不觸發，很可能導致導向翼外翻和撕裂，嚴重時導致整個燃料組件不可用。

2.2 S 型組件的裝載風險

堆芯裝料的過程中，S 型與C 型一樣，在組件的突出位置與相鄰組件存在刮擦風險。但由于S 型燃料組件的變形補償作用，其變形的影響較C 型較小。據不完全統計，所有乏燃料都存在相應的S 型變形，除極個別的組件導致裝卸料機欠載保護或者無法裝載到位的情況，大部分都可以通過偏移、組件之間的擠壓等順利裝載入堆芯。

2.3 傾斜組件的裝載風險

傾斜組件可以看作是彎曲半徑較大的C 型組件，在裝載中最直觀的表象即是下管座到位困難，裝載后燃料組件往一邊傾倒，組件相鄰有明顯的空隙。

傾斜燃料組件最突出的位置是下管座，由于下管座的材質與燃料棒不一樣，在下管座下落的過程中，變形較大組件的下管座可能會直接沖擊相鄰燃料組件，有造成相鄰燃料組件受損的風險；變形較小的傾斜組件，在進入下部堆內構件的導向銷過程中，存在無法完全適配的情況，此時裝卸料機會觸發欠載，由于高度已接近燃料組件脫扣，且燃料下管座已在壓力容器下部位置，操作人員目視無法看清，很容易出現人因失誤，導致提前脫扣，燃料組件有傾倒的風險。

2.4 扭轉組件的裝載風險

扭轉組件與S 型組件類似，輕微的扭轉及變形，不會影響到裝卸料機的裝載操作，在裝載過程中，只要不發生欠載現象，一般意味著組件處于安全受控狀態。

3 變形組件受力分析

燃料組件在堆芯下降的過程中，變形組件的突出位置觸碰到相鄰組件或者是堆芯圍板，產生一定的摩擦力，摩擦力超出裝卸料機設定的載荷保護值后（欠載）即停止，而對于燃料組件，根據燃料組件技術規范，定位格架之間的摩擦力限值為400Kg，導向翼之間的鉤掛作用力限值為200Kg，故只要滿足組件在欠載過程中組件受力F ＜200 kg，即可認為組件刮擦不會對燃料組件本身產生影響。

裝卸料機設定的欠載值為80Kg，欠載信號瞬時傳到PLC 控制系統，同時電機逐步減速到0，運動停止，減速過程與下插速度及與之相匹配的加速度相關，為運算簡便，忽略不同加速度對運動的影響，取欠載到停止運動的平均時間為0.12s，此時套筒停車行程為：

S=0.12*V

其中裝卸料機在低速下降的速度V=0.6m/min=10mm/s；

S=1.2mm

該停車行程產生了額外的的作用力Fa，假設主提升系統總的拉伸彈性系數以K（kg/mm）表示，則此時燃料組件的受力為：

F=1.2K+80（Kg）

即F ＜200 kg 時，可以認為對燃料組件沒有影響。

通過對某核電歷次燃料組件欠載記錄的提取并分析，均在160Kg 以下，說明裝卸料機載荷保護的可靠性還是非常高的，故在變形燃料組件的裝載過程中，裝卸料機的載荷保護可以作為燃料的保護手段和方法之一。

4 變形組件裝載方法分析

4.1 偏移法裝料

偏移法裝料主要利用裝卸料機大車和小車位置偏移運動來下降燃料組件。該組件在堆芯上部時，移動大車在X 方向及小車在Y 方向偏離標準坐標90 mm，下降組件到Z＝8560 mm 高度然后再以橫向最低速度重新調整組件到標準坐標，完成組件插入并就位。

圖2 偏移裝料法示意圖

4.2 旋轉180°裝料法

在調整定位坐標后，組件傾斜雖然不影響組件插入，但組件到位后，下管座卻進不了定位銷中（如傾斜組件），這種情況發生時，如果觀察后確認組件傾斜過大，可利用轉動裝卸料機塔架180°來達到順利插入。在插入過程中的某個時候，組件之間的摩擦力可能會達到最大，因此，必須密切監視重量指示器的讀數。繼續裝料至該組件的四個面都有2 個以上組件支撐時即可實施轉回180°的操作，使組件回到預定的正確的方位。

4.3 井字法裝料

在變形組件不能通過上述方法裝到正確位置時，可以考慮用假組件或備用的新燃料組件來代替該變形組件，先填充這個位置，繼續按照預定的步序往下裝料，至該組件的四個面都有2個以上組件支撐時，就可以卸走此位置的假組件或備用的新燃料組件，使該位置形成“井”字形，利用四周組件對變形組件予以位置校正，順利裝下變形組件。

5 結論

燃料組件是一項技術含量極高的產品，體現著核電站安全和經濟兩大特性，其裝載工作也對核安全有著決定性的影響。通過研究燃料組件的輻照變形機理，形成標準的組件變形模型，并總結出四類特殊的裝載方法。這幾類裝載方法已在同行電廠得到廣泛運用，并得到可靠的驗證。