燃料棒破損超聲檢測技術研究

殷振國，王華才，劉歆粵，梁政強

（中國原子能科學研究院反應堆工程研究設計所，北京 102413）

燃料棒破損超聲檢測技術研究

殷振國，王華才，劉歆粵，梁政強

（中國原子能科學研究院反應堆工程研究設計所，北京 102413）

研制了單探頭和雙晶片探頭兩種類型超聲探頭，通過對模擬燃料棒破損前后超聲信號變化規律的研究，確定了超聲檢測探頭的型式及檢測方法。研究結果表明，可通過15～20mm聲程范圍內超聲回波幅度的差異來判定燃料棒是否破損；與單探頭相比，所研制的雙晶片探頭更適用于燃料棒破損超聲檢測，該雙晶片探頭能有效分辨的燃料棒內的最小水量為0.2mL。

超聲檢測；燃料棒；破損

輕水堆核電站燃料棒一旦發生破損，燃料中的放射性裂變產物會釋放到一回路的冷卻劑中，從而給核電站的安全性和經濟性造成不良影響。因此，燃料包殼的破損問題是國際上一重要的研究課題［1－4］。過去很長一段時間內，國內絕大多數動力堆－破損組件的監測均通過測量排氣中Kr和Xe放射性的大小和反應堆冷卻水中碘的數量來監測破損組件，再采用啜吸實驗對破損組件進行定位，但這樣僅能確定組件內是否裝有破損的燃料棒，無法確定組件中哪根燃料棒（或哪幾根）破損。因此，找到破損的燃料組件后，還需采用外觀檢查、渦流檢查等無損探傷方法，甚至可能將燃料組件拆開，對燃料棒進行逐根啜吸檢查。這些方法均存在一定的缺陷，如外觀檢查方法僅能對組件外側的燃料棒進行檢查，且僅能發現一些較明顯的缺陷；渦流檢查則需將組件拆開，再進行逐根檢查，耗時長且經濟性差［5］。因此，開展組件中破損燃料棒精確定位的研究對反應堆安全穩定運行及提高動力堆的經濟性具有重要意義。

核電工業發達國家對破損燃料棒超聲定位技術進行了大量研究［6－8］，其主要工作原理是通過把超聲探頭（包括發送器和接收器）從軸向靠近燃料棒端部、或插入燃料組件各行燃料棒之間的空隙中，并向燃料棒發射超聲波，反射波（或稱回波）的波幅將會受到包殼缺陷或燃料棒內水的影響，根據反射波的波形即可確定燃料棒是否破損。該方法可將特種超聲探頭插入燃料組件各行燃料棒之間的空隙中進行檢驗，且只需安裝足夠多的探頭即可實現組件一排排的檢驗，具有檢驗效率高、無須解體組件、經濟性好等優點。

本文采用將超聲探頭插入燃料組件各行燃料棒之間的空隙中的檢測方式，分別研制雙晶片探頭和單探頭兩種型式的探頭，并探討探頭型式、探頭位置、有無芯塊、燃料棒內水量等因素對模擬燃料棒破損后超聲信號變化規律的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

選用316L（00Cr17Ni14Mo2）不銹鋼管材作為模擬燃料棒（簡稱元件棒），元件棒外徑為9.68mm，壁厚為0.64mm，總長度為400mm，元件棒內芯塊采用φ8mm×30mm的Al2O3陶瓷柱。采用氬弧焊將元件棒的包殼與下端塞進行焊接，利用氦質譜檢漏儀對焊接部位進行泄漏檢查，若元件棒泄漏率均小于10－10Pa· m3／s，可判斷其未泄漏。本工作將無水且檢漏合格的單棒來模擬未破損元件棒，以內部裝有水的元件棒來模擬破損元件棒。

1.2 實驗裝置

本工作與汕頭超聲電子股份有限公司合作，設計研制兩種類型的超聲探頭：1）雙晶片探頭，一發一收型式；2）單探頭，自發自收型式。兩種類型的特種超聲探頭結構如圖1所示。超聲探頭尺寸為20mm×15mm×1.2mm，超聲頻率為10MHz，可進行棒間隙為3.3mm的組件中破損元件棒超聲檢測，且該探頭可在100℃、高輻照劑量場下工作。圖2為設計加工的超聲檢測實驗裝置，其中儲水容器尺寸為600mm×300mm×300mm，由于研制自動機械裝置耗時長、成本高，所以采用手動控制裝置，探頭固定裝置的材料為聚四氟乙烯，探頭在水層中的距離及與工件的相對位置預先調整。超聲檢測設備采用CTS－9002plus型超聲波探傷儀。

圖1 超聲探頭結構示意圖Fig.1 Structure of ultrasonic probe

圖2 超聲檢測實驗裝置示意圖Fig.2 Sketch of ultrasonic testing device

分別選用單探頭和雙晶片探頭，采用插入燃料組件各行元件棒之間的空隙中的檢測方式對元件棒進行超聲檢測，超聲檢測聲程范圍為0～20mm，聲速為5 900m／s，阻尼為400Ω。

2 結果與討論

2.1 探頭型式對超聲檢測結果的影響

分別選用雙晶片探頭和單探頭，在水溫13℃下對元件棒進行超聲檢測，實驗結果如圖3、4所示。由圖3可看出，元件棒內有水和無水情況下，在15～20mm聲程范圍內的超聲回波幅度差異明顯，與元件棒內無水的情況相比，元件棒內有水的超聲回波幅度下降較顯著，如15～17mm聲程范圍內的超聲回波幅度從60%降至24%，17～19mm聲程范圍內的超聲回波幅度從100%降至60%。由圖4可看出，單探頭在元件棒內有水與無水兩種情況下，在0～20mm聲程范圍內的超聲回波幅度無任何變化。因此，與單探頭相比，雙晶片探頭超聲檢測更易通過15～20mm聲程范圍內的超聲回波幅度的差異分辨出元件棒內是否有水。這是由于單探頭檢測采用脈沖／回波技術，探頭發射脈沖后其透射的能量較小，與水耦合后降低的幅度不足以分辨出來；而雙晶片探頭直接通過在對側接收脈沖，可有效地分辨回波幅度的差異［3］。

2.2 探頭位置對超聲檢查結果的影響

選用雙晶片探頭對探頭接觸元件棒1／4、1／2、3／4處3種位置進行了超聲檢測，結果如圖5～7所示。由圖5～7可看出，探頭接觸元件棒1／4處時，15～17mm聲程范圍內的超聲回波幅度從38%降至28%，17～20mm聲程范圍內的超聲回波幅度從61%降至30%；探頭接觸元件棒1／2處時，15～17mm聲程范圍內的超聲回波幅度從60%降至24%，17～20mm聲程范圍內的超聲回波幅度從100%降至60%；探頭接觸元件棒3／4處時，15～17mm聲程范圍內的超聲回波幅度基本保持35%左右不變，17～19mm聲程范圍內的超聲回波幅度從50%降至24%左右。由圖5～7還可看出，探頭接觸元件棒1／2處的超聲回波幅度較1／4、3／4處的下降顯著。由此可得出，無論探頭接觸元件棒位置在何處，超聲檢測均可有效地分辨元件棒內是否有水，但探頭接觸元件棒位置對超聲檢測結果有一定影響，進行元件棒破損超聲檢測時探頭應接觸元件棒中心位置。

圖3 雙晶片探頭在元件棒內無水（a）及有水（b）時的超聲檢測結果Fig.3 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod by pair－wafer probe

圖4 單探頭在元件棒內無水（a）及有水（b）時的超聲檢測結果Fig.4 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod by single－wafer probe

圖5 探頭接觸元件棒1／4處元件棒內無水（a）及有水（b）時的超聲檢測結果Fig.5 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod at 1／4position

圖6 探頭接觸元件棒1／2處元件棒內無水（a）及有水（b）時的超聲檢測結果Fig.6 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod at 1／2position

圖7 探頭接觸元件棒3／4處元件棒內無水（a）及有水（b）時的超聲檢測結果Fig.7 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod at 3／4position

2.3 有無芯塊對超聲檢測結果的影響

選用雙晶片探頭分別對元件棒內有Al2O3芯塊和無芯塊情況下進行超聲檢測，結果如圖8、9所示。由圖8、9可看出，元件棒有水時在13～20mm聲程范圍內的超聲回波幅度較無水時下降顯著。當元件棒內無芯塊時，無水時超聲回波幅度較有芯塊時回波幅度大，在15～20mm聲程范圍內無芯塊時超聲回波幅度大于100%，而有芯塊時在15～17mm聲程范圍內回波幅度約為60%，在17～19mm聲程范圍內回波幅度為100%。當元件棒內無芯塊時，有水時超聲回波幅度下降幅度較有芯塊時

顯著，在15～17mm聲程范圍內無芯塊的超聲回波幅度由大于100%降至40%，在17～19mm聲程范圍內無芯塊的超聲回波幅度由大于100%降至80%，而有芯塊的超聲回波幅度分別由65%降至30%，100%降至60%。無論元件棒內是否有芯塊，超聲檢測均可通過15～20mm聲程范圍內的超聲回波幅度的差異有效地分辨出元件棒內是否有水。

2.4 元件棒內水量對超聲檢測結果的影響

將裝入已知水量的元件棒作為模擬破損棒，使用雙晶片探頭對元件棒有水、無水時進行超聲檢測，結果如圖10所示。可看出，當元件棒內充入0.2mL水時，15～20mm聲程范圍內的超聲回波幅度出現下降，隨著元件棒內水量的增加，回波幅度繼續下降，直至元件棒內充入0.5mL水后，回波幅度不再下降，保持不變。這可通過式（1）理論計算來進行解釋。

V＝3.141 592 6×4.2×4.2×H（1）其中：V為元件棒內水量；H為包殼與芯塊間隙內水的高度。

圖8 元件棒內有Al2O3芯塊無水（a）及有水（b）時的超聲檢測結果Fig.8 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod with Al2O3

圖9 元件棒內無芯塊無水（a）及有水（b）時的超聲檢測結果Fig.9 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod with no pellet

由水浸超聲監測破損棒的原理可知，當元件棒內水量浸沒探頭晶片時，超聲回波幅度將會開始下降。由式（1）可知，當元件棒內水量約為0.2mL時，水高度約為3.5mm，而探頭晶片高度約為3mm，此時元件棒內水開始浸沒晶片，超聲回波幅度會出現下降，隨后隨著元件棒內水高度的增大，超聲回波幅度繼續下降，直至全部浸沒，超聲回波幅度不再變化。

由此可知，超聲檢測可分辨出的元件棒內水量與探頭晶片的大小有關，元件棒內水僅需浸沒晶片，超聲檢測便可通過超聲回波幅度的差異來判定元件棒內是否有水，進而對破損棒進行定位。本工作所研制的雙晶片探頭能有效分辨的元件棒內的最小水量為0.2mL。

3 結論

1）在本工作實驗環境下，單探頭不適用于檢測出破損元件棒；

2）雙晶片探頭可通過15～20mm聲程范圍內的超聲回波幅度的差異分辨出元件棒內是否有水，從而對破損元件棒進行監測與定位；

3）在本工作實驗環境下，所研制的雙晶片探頭能有效分辨的棒內的最小水量為0.2mL。

圖10 元件棒內無水及有水時超聲檢測結果Fig.10 Ultrasonic testing results of anhydrous condition and water condition within rod

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Research on Ultrasonic Detection Technique of Fuel Rod Failure

YIN Zhen－guo，WANG Hua－cai，LIU Xin－yue，LIANG Zheng－qiang
（Department of Reactor Engineering Research and Design，China Institute of Atomic Energy，Beijing102413，China）

Single－and pair－wafer ultrasonic probes were developed.Through the study on the change of ultrasonic signal during fuel rod failure，the detection method and pattern of probe were determined.The results show that fuel rod failure can be identified through the difference of ultrasonic echo amplitude on the acoustic range of 15－20mm.Compared with single－wafer probe，pair－wafer probe can detect the fuel rod failure more easily，and can effectively detect the minimum amount of water with 0.2mL.

ultrasonic detection；fuel rod；failure

TL99

A

1000－6931（2015）02－0324－06

10.7538／yzk.2015.49.02.0324

2013－11－11；

2014－01－15

殷振國（1971—），男，北京人，高級工程師，核工程專業