鈉冷快堆內置式燃料破損探測工藝系統研究

王剛++羅瑞

摘 要：本文主要介紹了法國Phenix快堆燃料破損緩發中子檢測系統和破損燃料組件在線定位探測系統，結合現有的技術水平對內置鈉取樣燃料破損探測與定位系統、方法和主要設備進行技術成熟度和可靠性評價。在此基礎上提出內置式燃料破損探測方案及具體化意見，為我國示范快堆（CFR600）、商用快堆內置式燃料破損探測工藝研究提供理論參考。

關鍵詞：快堆 燃料破損 探測 定位 緩發中子

中圖分類號：TL364.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（c）-0098-04

由于快堆功率密度大、燃耗高，導致燃料元件輻照強、溫度梯度高。元件內裂變氣體累積產生的高壓，尤其是燃料腫脹，加劇了燃料元件破損[1，2]。隨著MOX燃料和包殼材料與元件設計制造技術的發展，燃料破損率會降低，但大型快堆和商業快堆的發展對燃料元件破損探測，特別是快速定位有非常高的要求。

目前較成熟的內置取樣緩發中子探測系統是法國鳳凰（Phenix）、超鳳凰（Super-Phenix）快堆的燃料破損檢測、定位系統。本文主要參考法國快堆燃料破損緩發中子檢測系統和破損燃料組件在線定位系統，結合現有的技術水平對內置鈉取樣燃料破損探測與定位系統、方法和主要設備進行技術成熟度和可靠性評價，從理論上提出內置式燃料破損探測方案及具體化意見。

1 Phenix燃料破損緩發中子檢測與組件定位系統

緩發中子檢測系統的檢測方式主要有兩類，一類是安裝在堆芯容器外（外置式），測量先驅核素釋放的穿透堆芯容器的緩發中子；二是采用取樣方式，把鈉引到遠離堆芯處進行緩發中子探測。外置式的探測信號主要受堆芯泄漏的中子和γ射線的影響，盡管有中間換熱器等堆內設備的屏蔽作用，本底仍比緩發中子信號強很多。特別是隨著快堆功率上升、堆芯主容器尺寸增加、流經堆芯鈉流量增大，單根元件破裂釋放到鈉中的緩發中子先驅核素濃度會大幅降低，增加了堆芯容器壁面外置緩發中子探測的探測難度[3，4]。

1.1 Phenix燃料破損緩發中子檢測系統

Phenix采用鈉取樣方式進行緩發中子監測，沿堆芯容器周向布置與中間換熱器數目相同的采樣探測系統，并由主容器頂蓋垂直插入堆容器，一般靠近主泵側。頂蓋上布置的位置示意圖如圖1所示。每個內置采樣系統有一個固定在堆容器內周圍隔熱板上的笛形采樣管，高度在主容器鈉液面下2m左右，距離堆中心軸線徑向距離9m左右，且圓周采樣管在周向有一定交叉重疊，每個采樣堆芯管可以采集堆芯容器約1/6周長的鈉樣。多個探測器與交叉取樣還可以實現破損燃料元件的粗定位[5，6]。

1.2 燃料破損組件的定位系統

Phenix快堆的定位系統由電磁泵、切換閥、探測模塊、采樣管等設備構成。電磁泵為取樣提供動力，位于鈉液面以下，與堆芯容器外有專門的供電通道連接。取樣鈉經過采樣管、切換閥，再進入鈉液面以上的電磁流量計，然后進入緩發中子檢測模塊，最后鈉流經氣體分離器后返回鈉池。

Phenix總共有121根采樣管，連接在一個大基礎盤上，大切換閥每次選擇若干組，每組3根采樣管或一根采樣管，送到小切換閥，小切換閥又可以將對3組或一組進行選擇輸送到電磁泵，最終形成3種采樣模式：G1模式，僅一根采樣管以獲得單個燃料組件出口鈉樣；G3模式，3根采樣管以同時獲得3個燃料組件出口鈉樣；Gn模式，同時獲得9根采樣管鈉樣，表示整體堆芯的鈉取樣（或者是有些采樣管作為專門的整體堆芯采樣而沒有特定地對準某一個燃料組件鈉出口）。特別要指出的是，采用不同模式時，對燃料破損探測有很大區別，G1模式靈敏度為1800cps/cm2，G3模式靈敏度為600cps/cm2，而Gn模式時，靈敏度僅為15cps/cm2[7]。

2 燃料破損探測與定位系統可靠性分析

2.1 燃料破損探測與定位系統應用

Phenix第一根破損元件的定位是采用G3模式進行的，即每次取樣探測3根取樣管混合鈉樣的緩發中子。具體探測過程如下。

（1）反應堆啟動30d裂變氣體信號都很高，后期輕微降低。

（2）裂變氣體信號爆發，測量裂變氣體“年齡”。

（3）裂變氣體信號爆發8h后，緩發中子信號升高。其中有3個組件位置探測到的緩發中子信號超過比例為15%的閾值，其中又有一個探測位置有高得多的緩發中子信號。

（4）反應堆繼續滿功率運行6h，啟動FFL系統以G3模式尋找破損元件。

（5）手動停堆。

在整個FFL系統定位過程，還根據鈉流的流動與混合情況、鈉取樣緩發中子探測器（FFD）信號等信息，輔助判斷破損燃料元件的大致位置。

Phenix于1980年又增設了一個裂變氣體的破損定位系統（Gas-LRG），以期在反應堆不停堆的情況下，利用LRG系統實現“漏氣”燃料元件的定位。總之，Phenix破損燃料緩發中子檢測及在線定位系統能完成不停堆情況下的破損燃料檢測與定位，從而為快堆電站操作提供準確信息。

2.2 可靠性與成熟度分析

內置鈉取樣快堆燃料破損探測和定位系統已經有近五十年的研發與應用歷史，一些系統已有探測與定位實際快堆燃料破損的經驗，各國對已有的系統也有不少的改進，中子探測器、電磁泵和切換閥等幾個關鍵設備也有很好的研究、應用和發展，技術和設備沒有不能克服的缺點。表1列舉和評述了內置鈉取樣燃料破損探測與定位系統、方法和主要設備的基本情況、應用例子和可靠性與成熟度。

綜合表1的分析，可以看出中子探測器（包括硼和氦）、單級單層切換閥和小流量沉沒式電磁泵（包括電導和感應泵）都是可靠性高的設備，由它們組成的系統在多個快堆有穩定和可靠的性能表現。

3 鈉冷快堆內置式燃料破損探測系統設計

參考法國Phenix快堆燃料破損緩發中子監測系統和破損燃料組件在線定位探測系統，采用可靠性高的探測設備，本文提出了研發燃料元件破損探測與定位合二為一系統的設想，基本的設想是：采用同一套系統同時承擔燃料破損探測和定位工作，即平時系統進行燃料破損探測，破損探測時切換閥不工作，并且設立專門的破損探測取樣管和切換閥相應通道處于“常接通”位置，一旦檢測到破損，系統啟動定位程序進行破損組件定位。具體的方案是：endprint

（1）在快堆小旋塞（中心旋塞）中心測控柱布置燃料元件破損鈉中取樣探測與定位系統，系統由采樣管、切換閥、電磁泵（以上設備位于堆容器鈉液面下），流量計、鈉回熱器（位于堆容器鈉液面上）、鈉樣品室、中子探測單元、切換閥操作機構、電器控制等（這些位于堆外）組成。如圖2示所示。

（2）整個破損探測與定位由這樣獨立的3～4套系統組成，每套系統有獨立的破損探測取樣管3～4根，全部破損探測專門采樣管數量為12根，取樣入口布置在堆芯周圍，并且每一根采樣管布置兩個標高不同的取樣口；全部定位取樣管數量在60～120之間，鈉取樣口布置在燃料組件上方，每一根取樣管布置距離堆芯鈉出口平面距離約300mm取樣口，以使每根取樣管平均可以覆蓋6～9個燃料組件。取樣管覆蓋堆芯出口區域的示意如圖3示。

（3）發展一套根據相鄰多個采樣管（3～9個）定位探測信號，采用“三角測量”技術或中子通量比值方法等，精確定位破損燃料組件位置的信號處理軟件，主要是確定組件鈉流量（堆功率）對定位參數的影響。同時綜合裂變氣體探測信號的燃料元件年齡、氣體標記等信號，獲得準確定位的方法和實施步驟。

4 結語

隨著我國示范快堆、商用快堆的不斷發展，對快速探測和精確定位破損燃料提出更高的要求。結合現有快堆堆內探測中較為成熟技術，本文提出的內置式燃料破損探測與定位系統，能滿足大型快堆燃料破損探測、定位需求。用原來的燃料破損定位系統作為破損探測不僅可以去掉原有破損探測專門系統（這個一般安裝在靠近中間換熱器處），提高了系統可靠性及探測靈敏度。

參考文獻

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[2] 黃逸達，鄧俊獻.反應堆破損燃料元件的監測和定位[M].北京：原子能出版社，1993.

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