壓水堆乏燃料棒渦流探傷技術(shù)研究

劉歆粵 羅曼 王華才 朱欣欣

摘要：針對(duì)秦山一期核電站輻照后的乏燃料棒探傷檢驗(yàn)，文章在熱室中建立了一套可遠(yuǎn)程控制的渦流實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)乏燃料棒進(jìn)行了全尺寸渦流探傷；檢查發(fā)現(xiàn)燃料棒包殼完整，無(wú)穿壁性缺陷和內(nèi)外壁裂紋，僅在外表面出現(xiàn)了一些小的劃傷；渦流探傷結(jié)果與外觀(guān)檢驗(yàn)結(jié)果一致，這是首次在國(guó)內(nèi)熱室對(duì)全尺寸乏燃料棒進(jìn)行的渦流探傷工作。

關(guān)鍵詞：渦流探傷??乏燃料棒??熱室??壓水堆??輻照后檢驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TL421.105?????????????文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????????????文章編號(hào)：

Research?on?Eddy?Current?Testing?Technology?for?the?Spent?Fuel?Rod?in?Pressurized?Water?Reactors

LIU?Xinyue??LUO?Man??WANG?Huacai??ZHU?Xinxin

（China?Institute?of?Atomic?Energy，?Beijing，?102413?China）

Abstract：?In?view?of?the?flaw?detection?test?for?the?spent?fuel?rod?after?irradiation?in?the?Qinshan?PhaseⅠnuclear?power?plant，?this?paper?sets?up?a?set?of?eddy?current?experimental?equipment?that?can?be?remotely?control?in?the?hot?cell，?carries?out??eddy?current?testing?for?the?full-scale?spent?fuel?rod.?After?the?examination，?it?is?found?that?the?cladding?of?the?fuel?rod?is?complete，?without?through-wall?defects?and?inner?and?outer?wall?cracks，?and?with?only?some?small?scratches?on?the?outer?surface.?The?result?of?eddy?current?testing?is?consistent?with?that?of?appearance?inspection.?This?is?the?first?eddy?current?testing?for?the?full-scale?spent?fuel?rod?in?the?hot?cell?in?China.

Key?Words：?Eddy?current?testing;?Spent?fuel?rod;?Hot?cell;?Pressurized?water?reactor;?Post-irradiation?examination

核燃料組件是反應(yīng)堆的重要組成部分。燃料棒包殼管在堆內(nèi)使用時(shí)要面臨高溫、中子輻照、表面高速水介質(zhì)沖刷、芯塊包殼相互作用及內(nèi)部裂變產(chǎn)物腐蝕等情況，這些因素都有可能使包殼產(chǎn)生缺陷或使原有缺陷擴(kuò)展，造成潛在危害。因此，為積累和分析輻照后燃料棒結(jié)構(gòu)、性能變化數(shù)據(jù)，以改進(jìn)燃料組件制造工藝，提高國(guó)產(chǎn)化制造水平，需要對(duì)乏燃料棒進(jìn)行一系列的輻照后檢驗(yàn)工作。

針對(duì)乏燃料包殼缺陷的無(wú)損檢測(cè)，一般采用外觀(guān)觀(guān)察的方式進(jìn)行。中國(guó)原子能科學(xué)研究院反應(yīng)堆材料輻照后檢驗(yàn)研究室在CARR配套熱室中，首次運(yùn)用渦流探傷技術(shù)[1-4]，對(duì)秦山一期8根乏燃料棒進(jìn)行了全尺寸渦流探傷研究，建立了一套可遠(yuǎn)程控制的渦流實(shí)驗(yàn)裝置，填補(bǔ)了我國(guó)壓水堆乏燃料渦流探傷研究的空白。此前，在我國(guó)核工業(yè)領(lǐng)域，對(duì)渦流探傷技術(shù)的研究主要集中在對(duì)主泵、汽輪機(jī)、蒸汽發(fā)生器等設(shè)備的管材和燃料棒包殼管的檢驗(yàn)檢測(cè)[5]。

1?背景

秦山核電站利用現(xiàn)有的燃料組件修復(fù)裝置，抽取了8根燃料棒進(jìn)行熱室檢驗(yàn)，其目的是通過(guò)秦山核電廠(chǎng)燃料棒輻照后檢驗(yàn)，獲取輻照后燃料棒結(jié)構(gòu)、性能變化數(shù)據(jù)，驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)組件的設(shè)計(jì)和制造工藝的合理性和可靠性，積累壓水堆燃料棒輻照性能數(shù)據(jù)，將檢驗(yàn)結(jié)果反饋到燃料設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行部門(mén)，為改進(jìn)燃料組件的制造工藝、提高國(guó)產(chǎn)化制造水平、加深燃耗提供依據(jù)。

熱室對(duì)接運(yùn)輸容器吊籃見(jiàn)圖1所示。待檢測(cè)燃料棒由上端塞、包殼、下端塞，以及其中的燃料芯塊與彈簧構(gòu)成，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2所示，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。包殼管材料為Zr-4合金，包殼厚度為0.7?mm，燃料棒外徑為10?mm，包殼內(nèi)徑為8.6?mm，燃料棒總長(zhǎng)度為3?200?mm。

2??實(shí)驗(yàn)

2.1??設(shè)備

研究所用的設(shè)備為中國(guó)原子能科學(xué)院反應(yīng)堆材料輻照后檢驗(yàn)研究室自行設(shè)計(jì)的CARR熱室多功能臺(tái)架。整套渦流探傷裝置包括熱室內(nèi)的臺(tái)架、環(huán)繞式渦流線(xiàn)圈、熱室外的渦流儀[6]、計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電源和控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)布置如圖3所示。該裝置可將燃料棒固定于卡盤(pán)和支架上，以保證檢測(cè)時(shí)燃料棒可平穩(wěn)穿過(guò)渦流檢查測(cè)量架，獲得可靠數(shù)據(jù)，掃查速度和掃查間距均可自動(dòng)控制。整套檢測(cè)裝置放置于熱室內(nèi)，計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)位于熱室前區(qū)，進(jìn)行檢測(cè)時(shí)實(shí)驗(yàn)人員位于熱室前區(qū)，用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)驗(yàn)人員與實(shí)驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行物理隔離，這樣可以保證實(shí)驗(yàn)人員免受放射性部件的輻射危害。

2.2?人工缺陷參比試樣制備及其標(biāo)定

渦流檢驗(yàn)是一種間接的檢驗(yàn)方法，需要先用具有已知缺陷大小和類(lèi)型的參比試樣對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定[7]，通過(guò)與參比試樣的信號(hào)比較獲得檢驗(yàn)結(jié)果[8-9]。因此，檢驗(yàn)燃料棒前，首先加工制造了和乏燃料棒包殼同樣材質(zhì)的參比試樣，其人工缺陷參考試樣相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

渦流探傷時(shí)前先用機(jī)械手將Zr-4材質(zhì)的參考試樣放置于臺(tái)架上，利用熱室內(nèi)渦流探傷裝置對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，人工缺陷參考試樣渦流檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。不同尺寸、類(lèi)型的缺陷可由X、Y方向的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)形狀看出。

2.3?檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)人工缺陷參考試樣檢測(cè)結(jié)果，從距底端47?mm處對(duì)乏燃料棒依次進(jìn)行渦流探傷檢查。其結(jié)果為燃料包殼保持完整，無(wú)穿壁性缺陷、內(nèi)外壁裂紋，格架位置處由于燃料棒表面有磨痕出現(xiàn)較明顯的信號(hào)[10]。選取其中3根燃料棒渦流探傷檢查結(jié)果與其外觀(guān)觀(guān)察結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可認(rèn)為整套渦流檢測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠，渦流裝置可較好地完成相關(guān)檢測(cè)任務(wù)。渦流檢查結(jié)果如圖5所示，外觀(guān)觀(guān)察結(jié)果如圖6所示。

3?結(jié)語(yǔ)

這是我國(guó)首次對(duì)全尺寸乏燃料棒進(jìn)行的渦流探傷工作，在熱室內(nèi)，對(duì)長(zhǎng)尺寸燃料棒渦流探傷檢測(cè)具有一定挑戰(zhàn)性，在操作和實(shí)驗(yàn)方面都有一定風(fēng)險(xiǎn)和難度，檢驗(yàn)是乏燃料棒無(wú)損檢測(cè)的良好實(shí)踐。該渦流探傷實(shí)驗(yàn)臺(tái)架及檢測(cè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定、高質(zhì)量地完成行走、數(shù)據(jù)采集等動(dòng)作，可靠性較高，且有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可為我國(guó)今后熱室內(nèi)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)尤其是渦流探傷技術(shù)的發(fā)展提供參考。通過(guò)與外觀(guān)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，該裝置的檢測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠，可為核燃料的堆內(nèi)行為分析、性能提升、破損原因分析提供數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 馮建章.無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在特種設(shè)備檢驗(yàn)中的應(yīng)用[J].造紙裝備及材料，2021（11）：8-10.[2] 張衛(wèi)明，岳明明，龐煒涵，等.渦流陣列檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展現(xiàn)狀分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2018，47（1）：181-183.