AFA3G 燃料組件拆解修復技術研究

林锘涵 任 亮

（1.中核核電運行管理有限公司科技管理處，浙江 嘉興 314300；2.中國核動力研究設計院，四川 成都 610041）

目前，國內大多數壓水堆核電站主要采用AFA3G系列核燃料組件，經過不斷的設計改進，破損率已經低至10-5水平。 然而，對于新建電廠以及實施18 個月長周期換料、50～60 GWd/tU 的高平均卸料燃耗、 加鋰使水質變化等情況，組件破損情況仍偶有出現，影響堆芯的安全性和經濟性。 壓水堆核燃料組件的損傷主要包括燃料棒破損和燃料組件的機械損傷，針對燃料棒破損的組件[1]，通常采用替換破損組件及其對稱組件或使用啞棒修復的形式。 對比兩種形式，后者經濟性更高。 目前，國內組件修復的實踐經驗較少，尤其對于高燃耗組件存在空白。 因此，組件修復的實踐經驗對于國內壓水堆核電廠來說，具有極大的參考價值。

1 破損燃料棒修復流程研究

1.1 破損燃料棒修復原理

國內外通常采用不銹鋼或鋯合金啞棒替換破損燃料棒的方式進行破損燃料組件的修復。 即在核電廠乏燃料水池或裝載井，將破損燃料組件進行拆解，將破損燃料棒抽取貯存，替換啞棒回插到破損燃料棒位置。

有分析表明，啞棒材料的選擇各有優劣。 綜合各方面影響，采用不銹鋼啞棒更合適，從中子學特性角度和經濟性上看，對稍低富集度或燃耗的燃料棒修復對設計參數的影響更小[2]。

1.2 破損燃料棒修復流程

針對目前國內通常使用的AFA3G 17×17 型燃料組件，主要由燃料骨架、上管座及264 根燃料棒組成。燃料骨架由24 根導向管、1 根儀表管、11 個格架（8個定位格架及3 個跨間攪混格架） 和下管座組成，因此，根據燃料組件結構，對燃料棒的修復流程可以按以下步驟進行。

1.2.1 拆裝前外觀檢查

燃料組件拆裝前進行外觀檢查，檢查各層定位格架位置是否有異物、待拔取燃料表面狀態、上管座及套筒螺釘完整性。

1.2.2 上管座拆卸

使用上管座控制工具鎖定組件上管座后，在水下監控系統輔助下， 用螺釘拆卸工具依次拆除和取出24 顆套筒螺釘。

將拆下的螺釘依次放入螺釘收集桶內，將舊螺釘轉移至螺釘專用保存容器內，使用上管座抓具取出上管座，將工具及上管座放置于工具架上暫存。

1.2.3 燃料棒拔取

通過工具定位待拔燃料棒位置，在水下監控系統輔助下，確認定位工具定位準確，無明顯偏移或者錯位。

將燃料棒抽取工具插入工具定位孔，按照設定的拉拔力限值實時觀察拉拔力變化并提升破損燃料棒。當破損燃料棒完全抽離燃料組件，將燃料棒插入指定儲存容器。

在燃料棒拔取過程中，通過導向板間隙對燃料棒表面狀態進行外觀檢查。

1.2.4 不銹鋼棒復裝

使用燃料棒抽取工具取出啞棒（不銹鋼棒），通過定位工具將不銹鋼棒插入燃料組件空位。

不銹鋼棒下端頭進入各層定位格架前，通過視頻監控系統觀察不銹鋼棒與定位柵元的對中性，采用點動方式，緩慢下降，待不銹鋼棒下端頭通過定位柵元，則勻速繼續完成不銹鋼棒復裝。

多根需修復的單棒則重復以上步驟，在其他位置進行燃料棒的抽取和不銹鋼棒復裝。

1.2.5 上管座復裝

使用上管座抓取工具將上管座移至燃料組件正上方接觸導向管表面，通過緩慢的左右前后移動將上管座恢復到位，根據套筒螺釘安裝工藝，依次安裝新螺釘，并進行脹形。脹型完成后，對套筒螺釘進行過規檢查，確保上管座滿足控制棒組件及可燃毒物組件配插要求。

1.2.6 復裝后檢查

組件復裝完成后，對其進行整體外觀檢查，確認各層定位格架無異物、復裝不銹鋼棒、上管座及套筒螺釘安裝到位，檢查完成后將燃料組件返回水池暫存。

2 拆解修復技術風險控制研究

已輻照破損燃料組件的修復，其全部過程在水下完成且輻照后上管座螺釘、格架彈簧夾持力、燃料組件變形程度等都無法得到實際測量數據。 因此，修復過程對于關鍵參數應當采取保守值，以避免對燃料組件造成二次損傷。

2.1 上管座螺釘旋松力矩

根據AFA3G 燃料組件制造技術要求， 上管座螺釘在不加潤滑劑情況下， 螺釘扭矩為7.8±0.2daN·m，在拆除上管座螺釘時， 考慮水具有一定潤滑作用，同時考慮長桿操作力矩傳導損失，采用設計院保守計算值15N·m 作為旋松力矩。 同時，需要注意的是，在旋松過程中，需采取對稱位置、由內到外逐一旋松，防止上管座單側旋松后傾斜，導致螺釘傾斜無法拆解。

在國內某電廠燃料組件修復工作中， 通過對四組輻照3～4 個循環的燃料組件上管座的拆解， 實測數據比理論設置值更小，其螺釘擰松力矩范圍從4 N·m 至12 N·m不等，平均值在7.724 N·m，在設計預估值范圍內，實際經過輻照后的螺釘擰松力與理論計算基本相符。

上管座復裝時，根據螺釘安裝編號次序，依次將上管座螺釘進行1 N·m 的初擰，確認所有螺釘均可初擰后，進行進一步擰緊，設置擰緊力矩8.5 N·m，依次完成所有螺釘復裝。

2.2 乏燃料單棒抽取過程拉拔力

已輻照燃料組件，因經過若干循環輻照后，格架彈簧的夾持力減小，抽取過程中抽取力的控制亦采用保守值。 此項工作開展前，已對假組件進行模擬拆裝演練，假組件單棒的抽取依次通過8 個定位格架及3個跨間攪混格架， 抽取力的變化范圍在100～300 N。模擬過程中根據格架自下而上逐層遞減的抽取力比例，考慮浮力以及相關拔棒工具的自重因素，設置保守的抽取力。

本文選取在國內某電廠不回堆燃料組件進行乏燃料單棒抽取，目標組件及燃料棒均完整，無破損情況。

通過保守預估各層拉拔力理論限值與實際拉拔力數據進行對比，可以明顯地發現，經過3～4 個輻照循環以后的燃料組件，格架彈簧夾持力已遠遠小于新燃料組件，其拉拔力的范圍小于理論計算值。

2.3 燃料組件變形量

單棒抽取后隨即回插啞棒，需考慮燃料組件變形量對啞棒回插的影響。 若組件變形量較大，如S 形、O形、香蕉形等，則存在啞棒回插到格架外條帶以外的風險。 通過測量燃料組件彎曲度，定量地得到組件最大彎曲量及彎曲位置。

本文選取其中一組組件變形量測量為示例，測量結果表明燃料組件第三循環最大彎曲度小于3 mm（面2），未見明顯彎曲，燃料組件面2 整體有外凸趨勢，最大位置在第5 層大格架。

復裝用不銹鋼啞棒一般采用錐形下端頭的結構。通過對比分析， 目標組件最大偏移量為3.81 mm，用于復裝的不銹鋼啞棒下端頭最小半徑為0.6 mm，遠小于偏移量且錐形結構有利于在偏移的情況下順利通過格架，保證復裝工作順利。

如果組件最大偏移量過大，即超過啞棒最大半徑4.8 mm，則有回插過程超出格架外條帶的風險，現場需要謹慎考慮實施。

3 結論

（1）本文通過對燃料組件結構的研究，結合壓水堆現場實際條件，給出燃料組件拆解修復修復主要流程；（2） 本文通過研究組件拆解修復過程可能出現的風險，給出修復過程中風險點的控制，驗證是保守且切實可行的；（3） 本文實施的燃料組件為高燃耗未出現破損的乏燃料組件，對于破口較大的乏燃料棒或燃耗較淺的燃料組件，其關鍵考慮參數應根據實際情況保守考慮；（4） 該技術研究已在國內某電廠機組順利實施，完成了多根高燃耗乏燃料組件單棒的抽取與多組組件修復，安全性與可實施性良好。