核燃料組件破損自動超聲檢測系統(tǒng)的研制

朱性利,甘文軍,石志彬,蔡家藩,聶 勇

(1. 中核武漢核電運行技術股份有限公司, 武漢 430223；2.海南核電有限公司, 昌江 572733)

核電站利用核燃料發(fā)生的受控自持鏈式裂變反應所釋放的能量作為熱源發(fā)電。核燃料裝在由端塞密封的薄壁包殼內(nèi)，包殼作為核電站的第一道防護屏障，一旦發(fā)生破損，燃料棒中的放射性裂變產(chǎn)物會釋放到一回路的冷卻劑中，造成一回路設備放射性物質(zhì)增加，導致運行期間設備維護人員受到輻照，給核電站的安全性和經(jīng)濟性帶來不良影響。

在核反應堆運行、大修期間，可采取多種方法檢測堆內(nèi)是否存在燃料組件破損。運行期間，可通過監(jiān)測冷卻劑和排氣的放射性濃度來確定是否存在燃料組件破損；停堆換料時或換料后，可通過啜吸法檢測多組疑似破損燃料組件，確定真正破損組件后，通過外圍視頻檢測法或超聲檢測法來定位組件中的破損燃料棒并對其進行更換，換下來的組件則根據(jù)壽命周期狀態(tài)重新入堆或存放在乏燃料水池，換下來的破損燃料棒應密封存放，以防繼續(xù)釋放放射性物質(zhì)和氣體[1-2]。

法國、美國等核電發(fā)達國家已對燃料組件破損超聲檢測技術進行過多年研究，研制了多種型號的檢測系統(tǒng)，并經(jīng)過十多年的現(xiàn)場驗證，證明該檢測技術的高效率和可靠性[3-4]。

筆者根據(jù)板波傳播原理和AFA 3G燃料組件及其他類似燃料組件結(jié)構(gòu)特點，研制了一套破損燃料組件超聲檢測系統(tǒng)，通過將多組薄片超聲板波探頭同時插入燃料組件間隙的檢測方式，實現(xiàn)了對燃料組件的破損檢測及對破損燃料棒在組件中的定位。文章介紹了該系統(tǒng)的工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)組成及研制過程，考慮到燃料組件超聲檢測的高風險性，對現(xiàn)場檢測的一些注意事項進行了介紹。

1 檢測環(huán)境

在核電廠燃料廠房乏燃料水池內(nèi)實施破損燃料組件超聲檢測，乏燃料水池的主要環(huán)境參數(shù)如表1所示[5]。

表1 乏燃料水池主要環(huán)境參數(shù)

2 系統(tǒng)總體介紹

2.1 工作原理

燃料棒發(fā)生破損時，由于包殼內(nèi)外存在壓力差，反應堆冷卻劑會從破損部位進入燃料棒內(nèi)。超聲檢測時，探頭發(fā)出的聲波沿管壁傳播，傳播過程中板波能量不斷衰減，根據(jù)衰減情況便可判斷燃料棒內(nèi)側(cè)是否存在冷卻劑。燃料棒超聲檢測原理如圖1所示。若燃料棒內(nèi)部不含冷卻劑，板波在傳播過程中能量衰減較小[見圖1(a)]；若燃料棒內(nèi)部含有冷卻劑，板波在傳播過程中能量衰減很大[見圖1(b)]；將板波繞破損燃料棒衰減后的波幅與繞完好燃料棒衰減后的波幅進行對比，即可判斷燃料棒是否存在破損[6]。

圖1 燃料棒超聲檢測原理示意

2.2 系統(tǒng)組成

破損燃料組件超聲檢測系統(tǒng)主要由掃查裝置、伺服控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 破損燃料組件超聲檢測系統(tǒng)組成示意

實施檢測時，首先在岸上將檢測設備放入調(diào)試水箱內(nèi)使用標定組件進行設備標定；功能標定完成后，使用燃料廠房輔助吊將水下檢測設備放入乏燃料水池，并使用燃料存儲格架對檢測設備進行定位；定位完成后，使用燃料小車抓取被檢燃料組件并運至檢測設備上方，再緩緩下放被檢組件至檢測設備，依靠檢測設備上的定位機構(gòu)實現(xiàn)組件的定位，至此完成全部準備工作，開始進行檢測。

超聲檢測系統(tǒng)包括薄片超聲板波探頭、超聲信號電纜、多通道超聲儀、標定組件和模擬組件等。標定組件與模擬組件采用與實際被檢燃料組件一致的包殼制作，并可模擬完整包殼及破損包殼兩種燃料棒狀態(tài)，標定組件用來對超聲探頭進行標定，并對探頭功能進行驗證，模擬組件則用來檢驗超聲探頭在被檢組件空隙間的通過性，并可模擬破損燃料棒、完好燃料棒及導向管、儀表管的超聲檢測信號。

掃查裝置可實現(xiàn)超聲板波探頭的步進和進給，保障超聲探頭能順利插入燃料組件空隙并實現(xiàn)對全部燃料棒的超聲檢測全覆蓋。掃查裝置主要包括底板、導向組件、探頭驅(qū)動機構(gòu)、機架、接線盒及應急脫離組件等，是整套檢測系統(tǒng)的基礎。探頭驅(qū)動機構(gòu)用于驅(qū)動探頭的步進、進給運動，實現(xiàn)對被檢組件所有燃料棒的定位。導向組件由上部導向組件和下部導向組件組成。檢測時先依靠下部導向組件使整套檢查裝置能順利進入乏燃料水池柵格內(nèi)，實現(xiàn)檢查裝置在水池內(nèi)的定位；然后依靠上部導向組件將燃料組件下管座導入檢查裝置，利用氣缸夾緊實現(xiàn)檢查裝置與被檢燃料組件的定位。為保證設備電氣故障時，超聲探頭能從組件中退出，掃查裝置設計有專用應急脫離機構(gòu)。發(fā)生異常情況時，操作人員在燃料廠房的換料車上操作長桿，使探頭驅(qū)動機構(gòu)整體后退，從而可將燃料組件與檢查設備安全脫離，保證被檢組件的安全。

伺服控制系統(tǒng)可驅(qū)動超聲探頭，主要包括直流永磁電機、位置反饋單元、運動控制器、驅(qū)動器及系統(tǒng)連接電纜等。因乏燃料組件具有高輻照的特點，該系統(tǒng)設計時需采取放射性輻照防護措施。為避免超聲探頭對位不準，抵住燃料棒，對燃料棒造成損壞，探頭驅(qū)動、進給運動應采取有效限力措施。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于被檢燃料組件相對于掃查裝置的定位，以及在超聲板波探頭插入組件時進行監(jiān)控，包括遠程監(jiān)控攝像頭和近距離監(jiān)控攝像頭兩部分。近距離監(jiān)控攝像頭采用耐輻照攝像頭近距離對被檢燃料組件、超聲板波探頭實施監(jiān)視，避免在探頭進給時抵住燃料棒，從而對燃料棒造成損壞；遠程監(jiān)控攝像頭則采用普通水下攝像頭對設備整體狀態(tài)進行監(jiān)控。

3 驗證過程

完成超聲檢測系統(tǒng)研制后，為滿足破損燃料組件現(xiàn)場檢測要求，需進行一系列驗證試驗，如水下密封試驗、標定組件及模擬組件信號測試、乏燃料貯存水池工作驗證、耐輻照性能驗證、探頭高溫性能驗證等。

3.1 標定組件信號測試

標定組件中的標定棒為實際燃料單棒截取部分加工而成，其材料、結(jié)構(gòu)及尺寸均與實際燃料單棒一致，只是長度較短，用于超聲探頭的標定及檢測能力驗證，現(xiàn)場檢測時按照固定時間間隔對設備進行標定。標定棒按17X2布置，其中17根為破損標定棒,17根為填充模擬芯塊的完好標定棒，標定組件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 標定組件結(jié)構(gòu)示意

破損標定棒內(nèi)填充細砂，其兩端為密封結(jié)構(gòu)，可防止在深水壓力下水進入標定棒內(nèi)。對破損標定棒和完好標定棒進行超聲信號采集，并對其回波波高進行對比。標定棒的典型超聲檢測信號如圖4所示。

圖4 標定棒的典型超聲檢測信號

由標定組件信號測試結(jié)果可知，該超聲探頭及檢測系統(tǒng)能夠有效識別完好標定棒和破損標定棒。

3.2 模擬組件信號測試

模擬組件完全模擬真實燃料組件布置，長度較真實燃料組件較短，其包括上下管座、頂部擱架、底部擱架、結(jié)構(gòu)攪混擱架等；頂部擱架和底部擱架位置與真實燃料組件一致，在頂部擱架和底部擱架中間位置布置一結(jié)構(gòu)攪混擱架。模擬組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。模擬組件布置方式如圖6所示。

圖5 模擬組件結(jié)構(gòu)示意

圖6 模擬組件布置示意

安裝10個刀片探頭后，在運動機構(gòu)驅(qū)動下將探頭插入模擬組件各棒間隙中，并對燃料棒實施超聲檢測，其中9號探頭的超聲檢測信號如圖7所示。

圖7 模擬組件9號探頭的超聲檢測信號

由模擬組件信號測試可知，該超聲檢測系統(tǒng)能夠有效識別模擬組件中的導向管、完好燃料棒與破損燃料棒。核反應堆燃料組件中燃料棒檢查區(qū)域破損充滿水后，可采用該系統(tǒng)檢測組件是否破損，若存在破損，可對破損燃料棒進行定位。

筆者采用模擬組件進行了數(shù)十次測試，每次均能有效識別完好燃料棒和破損燃料棒，檢測結(jié)果準確率達100%。

3.3 輻照試驗

入堆運行后的核燃料組件是核電廠放射性最強的設備，據(jù)測量，其γ射線接觸劑量率可達104Gy·h-1，遠遠大于核反應堆其他設備環(huán)境劑量，因此為驗證破損燃料組件超聲檢測系統(tǒng)高輻照環(huán)境下的性能，需對其進行輻照試驗。

輻照試驗設備體型較大，輻照源應采用線源，避免因設備距離輻照源不同而引起吸收劑量差別較大。根據(jù)核燃料組件的放射性強度，采用的輻照線源活度為17.3萬Ci。

采用輪式小車將掃查裝置及相關試驗設備運到輻照室內(nèi)，固定平穩(wěn)。掃查裝置及超聲探頭外觀如圖8所示。

圖8 掃查裝置及超聲探頭外觀

通過輻照試驗驗證，檢測時探頭需插入被檢組件空隙，吸收劑量最大的超聲板波探頭在環(huán)境劑量為3 509 Gy·h-1的γ射線輻照下可正常工作，累計劑量達14 036 Gy時超聲探頭性能不受影響。

受輻照源活度限制，輻照驗證試驗的環(huán)境劑量率峰值為3 509 Gy·h-1，小于乏燃料組件的γ射線劑量率(104Gy·h-1)，但根據(jù)機電系統(tǒng)抗輻照經(jīng)驗估算，該檢測系統(tǒng)應滿足104Gy·h-1的輻照指標要求。

2017年12月，經(jīng)海南省昌江核電廠2號機組乏燃料水池現(xiàn)場應用驗證，受到乏燃料組件累計170 h的輻照后，該超聲檢測系統(tǒng)各項功能均正常。

3.4 超聲探頭高溫試驗

經(jīng)查閱相關資料，乏燃料卸料后燃料組件內(nèi)部溫度可達4060 ℃，因此需驗證超聲板波探頭的高溫工作性能。使用加熱設備將探頭附近水溫加熱到60 ℃，70 ℃和80 ℃，通過溫控系統(tǒng)保溫2 h，在加熱過程中持續(xù)對超聲信號進行監(jiān)控，高溫試驗結(jié)果表明，超聲探頭信號穩(wěn)定，狀態(tài)良好。

3.5 現(xiàn)場驗證

為驗證破損燃料組件超聲檢測系統(tǒng)具有可實施性，在整套系統(tǒng)完成調(diào)試、測試后，運至核電廠進行現(xiàn)場驗證。驗證過程模擬整個檢測流程，包括設備調(diào)試、水下安裝、標定、檢測、檢測后數(shù)據(jù)分析、設備出水等。

利用燃料廠房行車將掃查裝置吊裝至乏燃料水池存儲格架，再利用掃查裝置下部的定位結(jié)構(gòu)插入存儲格架內(nèi)實現(xiàn)其定位、安裝，在確認掃查裝置功能正常后，抓具抓取被檢燃料組件送至掃查裝置內(nèi)，開始超聲檢測。整個檢測過程需借助遠處水下攝像頭及近距離耐輻照攝像頭進行監(jiān)控，以保證被檢組件及掃查裝置安全。檢測系統(tǒng)驗證現(xiàn)場如圖9所示。

圖9 檢測系統(tǒng)驗證現(xiàn)場

通過設備水下安裝、標定、檢測及設備從乏燃料水池格架移出等一系列現(xiàn)場驗證，結(jié)果表明，研制的破損燃料組件系統(tǒng)具備現(xiàn)場實施破損燃料組件超聲檢測的能力。

4 注意事項

現(xiàn)場檢測時，為保證超聲檢測的順利進行，并提高破損燃料棒的檢出率，需采取以下措施。

(1) 發(fā)現(xiàn)疑似破損燃料棒信號后，為避免因晶片與燃料棒間距不同而導致的信號差異，應從被檢組件的4個面進行檢測，并對檢測結(jié)果進行相互印證，確保檢測結(jié)果的準確性。

(2) 必要時，可從不同高度對燃料組件實施檢測，經(jīng)查閱資料，底部兩層和頂部兩層格架附近通常可發(fā)現(xiàn)絕大部分破損燃料棒，而中間位置的外表面附著物會對超聲檢測結(jié)果分析造成影響。

(3) 探頭組布置間距根據(jù)燃料組件中燃料棒間隙進行布置，燃料組件在運行一段時間后會發(fā)生彎曲變形，可能造成探頭組無法穿過燃料組件，可根據(jù)實際情況更換單探頭進行檢測。

(4) 超聲檢測發(fā)現(xiàn)存在破損燃料棒后，可通過外圍視頻檢測確認檢測結(jié)果，并對破損燃料棒錄像，為后續(xù)破損燃料棒更換提供依據(jù)。

(5) 在進行破損燃料組件超聲檢測后，通常會對破損燃料棒進行更換，因此在對燃料組件進行超聲檢測與修復時，應采用統(tǒng)一的編號對燃料棒進行定位，防止更換燃料棒時出現(xiàn)錯誤。

5 結(jié)論

(1) 破損燃料組件超聲檢測系統(tǒng)可有效識別標定組件中的完好燃料棒與破損燃料棒。

(2) 該檢測系統(tǒng)可有效識別AFA 3G燃料組件中的完好燃料棒、破損燃料棒、導向管及儀表管的超聲信號。

(3) 該檢測系統(tǒng)在3 509 Gy·h-1的γ射線輻照下可正常工作，可承受的最大累計劑量大于14 036 Gy。

(4) 該檢測系統(tǒng)可在核電廠燃料廠房及乏燃料水池內(nèi)安裝，并通過換料機操作燃料組件，實現(xiàn)破損燃料組件的自動超聲檢測。