壓水堆核電站乏燃料元件γ掃描測量

朱欣欣，章安龍，王 鑫，王華才，梁政強

(1.中國原子能科學研究院 反應堆工程技術研究部，北京 102413；2.大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳 518124)

燃料元件包殼是核電站防止放射性物質外泄的第二道也是最重要的屏障，一旦燃料元件包殼破損，放射性裂變產物就會進入一回路冷卻劑，給運行安全帶來較大的影響。燃料元件破損原因分析一直是業界十分關注的課題，目的就是進一步提高燃料元件的安全性能，因此對核電站安全、經濟運行具有重要意義。

在燃料元件輻照后熱室檢查中，γ掃描測量作為無損檢測手段之一，可獲得燃料輻照行為的相關信息[1]，包括燃料芯塊堆積高度、芯塊-芯塊界面定位、芯塊-芯塊間隙大小評定、揮發性裂變產物遷移、破損元件燃料缺失、元件軸向燃耗分布等。此前國內完成的大量燃料元件輻照后檢驗中，檢驗的對象均為完整燃料元件，因此γ掃描的結果多用于評價相對燃耗分布等宏觀性能。近期，中國原子能科學研究院承擔了某壓水堆核電站破損燃料元件的熱室檢查。本次檢驗中，擬利用137Cs核素易揮發的特性，通過γ掃描的方法獲取破損元件137Cs分布及遷移流失情況、相鄰完整元件軸向相對燃耗分布等重要數據，以篩查破口位置，為燃料元件破損原因分析及堆內行為分析提供依據。

1 γ掃描測量裝置和測量方法

1.1 測量裝置

圖1 γ掃描測量裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of gamma scanning device

γ掃描測量裝置布置示于圖1。該裝置主要由以下幾部分組成：1) 燃料元件及其傳動裝置，傳動裝置將燃料元件傳送至準直器狹縫處，并精確定位，完成整根元件棒的軸向掃描測量；2) 準直器，鉛準直器裝在不銹鋼套管中，熱室內的準直器狹縫寬度為0.5 mm，位于探測器前的狹縫寬度為1 mm；3) γ譜儀系統，該系統的探測器為CANBERRA公司生產的GC4018型P型同軸HPGe探測器，安裝在熱室前區，獲取數據用的多道分析器為8 192道；4) 在熱室內準直器周圍和探頭周圍安裝有鉛屏蔽，以減少本底γ射線對測量的影響。

1.2 測量方法

1) 燃料元件相對燃耗分布測量

對于完整元件，以137Cs為燃耗監測體[2-3]，移動燃料元件，使準直器狹縫對準燃料元件軸向不同位置進行γ掃描測量，解譜獲得Eγ(137Cs)=661 keV能量處的峰凈面積(計數)，除以各點測量活時間后得到137Cs計數率。在整根元件上共取近300個點，以得到整根元件上137Cs放出的γ射線強度的相對分布，即燃料元件軸向相對燃耗分布。為便于各元件之間的比較，137Cs計數率均根據燃料元件冷卻時間換算到出堆時刻的計數水平。

2) 破損元件Cs遷移

采用與1)相同的測量方法獲得破損元件軸向137Cs分布，得到燃料段Cs的遷移情況，在存在Cs向冷卻劑流失的情況下，通過與相鄰元件對比或完整元件137Cs計數率與燃耗的關系，計算得到燃料段Cs的流失水平。

3) 燃料缺失

燃料元件破口處可通過低揮發性核素154Eu的計數水平判斷燃料是否缺失[4-5]，根據137Cs軸向分布、外觀檢查、X光照相結果，對破損元件破口處及周邊進行長時間測量，得到154Eu分布情況，從而驗證并獲得燃料缺失情況。

2 測量結果與分析

4根完整元件及4根破損元件的相關信息列于表1，其中W代表完整元件，P代表破損元件，W1與P2為同一燃料組件中相鄰元件，W3與P4為相鄰元件，相鄰元件具有相近的功率運行史及燃耗，其余元件來自于不同組件。

2.1 137Cs軸向分布

4根完整元件棒的137Cs軸向分布曲線示于圖2。橫坐標0 mm處為燃料元件下端燃料活性區起始點。燃耗總體呈兩端低、中間平坦式分布，與堆內中子注量分布相關。

表1 乏燃料元件相關信息Table 1 Information of spent fuel element

圖2 4根完整元件137Cs軸向分布Fig.2 137Cs axial distribution of 4 intact fuel elements

圖3 4根破損元件的137Cs軸向分布Fig.3 137Cs axial distribution of 4 failed fuel elements

4根破損元件的137Cs軸向分布示于圖3，其中破損元件P4的137Cs軸向分布示于圖4。與完整元件相比，破損元件均存在不同程度的Cs遷移流失。與外觀檢查比對發現，在破損位置，137Cs計數率降低，以燃料包殼軸向產生多處破口的破損元件P4為例(圖4)，137Cs計數率曲線上的每個低谷均與1個破口相對應，因此可通過γ掃描輔助破口定位，對其中距底端3 120 mm處破口采用1 mm間隔測量，結果示于圖5。由圖5可見，破口處137Cs計數降低區域寬度約10 mm。建議在對破損元件檢驗時，γ測量掃描間隔按不大于2 mm進行測量。

圖4 破損元件P4的137Cs軸向分布Fig.4 137Cs axial distribution of P4

圖5 P4元件距底端3 120 mm破口處137Cs分布Fig.5 137Cs distribution at failed position(3 120 mm above bottom) of P4

2.2 Cs遷移

由圖3可見，破損元件P1在1 200 mm處存在Cs流失，破損元件P2在3 000 mm處存在Cs流失，其余位置未見明顯Cs遷移，與外觀檢驗破損位置相對應。

破損元件P3在400～3 200 mm范圍內，137Cs大量流失，外觀檢查表明，距底端980 mm處有一較大破口，為Cs向冷卻劑流失的主要通道，向兩邊Cs呈梯度分布。在0～800 mm范圍，存在部分突高點，因此采用2 mm間隔掃描，結果示于圖6。由圖6可見，137Cs計數出現峰值，兩峰值間的間隔恰好為1個芯塊高度，根據Cs的冷端遷移特性[6]分析認為，在此區域Cs向芯塊間隙遷移聚集。在全棒軸向掃描中，距底端3 685 mm處仍存在137Cs計數，且呈升高趨勢，與其他7根元件燃料區長度對比表明，Cs已向彈簧氣腔段遷移沉積。

破損元件P4由于存在多處破口，在800～3 400 mm范圍內137Cs存在明顯遷移，從破口處進入冷卻劑中，Cs均勻流失形成平坦式分布。與相鄰燃耗相近的完整元件W3對比表明，上下兩端Cs的遷移情況與W3的相似。

圖6 P3元件2 mm間隔測量結果Fig.6 Measurement result of P3 with 2 mm interval

圖7 137Cs平均計數率與燃耗的關系Fig.7 Relationship between average 137Cs count rate and fuel burnup

根據137Cs軸向分布曲線，通過對全棒137Cs計數率積分后除以燃料區長度，可得到全棒137Cs平均計數率，8根燃料元件平均137Cs計數率與燃耗的關系示于圖7。由圖7可見，4根完整元件之間具有很好的線性關系，y=0.840 81+1.383 84x，R2=0.999 98，4根破損元件因Cs的遷移流失，存在不同程度的線性偏離。根據完整元件線性擬合公式計算得到，破損元件P1的Cs流失量為4.5%，P2流失3.6%，P3流失27.5%，P4流失20.9%，Cs的流失水平與元件棒線功率、破損情況及破損后運行時間等有關。

蒲治宇(1997-)，男，四川工商學院計算機學院學生，主要研究方向為云計算、大數據及計算機算法理論。E-mail:969308497@qq.com；

對于相鄰元件W3、P4，由于燃耗較高，在軸向137Cs分布測量中，同時獲得了滿足一定統計誤差的134Cs計數，采用內部效率自刻度[7]，得到了134Cs/137Cs原子比。134Cs是裂變碎片中子俘獲的結果，其生成量與中子注量的平方呈正比，134Cs/137Cs比值與中子注量近似呈正比，與燃耗也近似呈正比。W3軸向134Cs/137Cs原子比分布示于圖8。由圖8可見，完整元件W3的134Cs/137Cs原子比軸向分布與137Cs軸向分布趨勢一致，說明134Cs/137Cs比同樣適用于燃料元件軸向相對燃耗分布的表征。

圖8 完整元件W3軸向134Cs/137Cs原子比分布Fig.8 Axial 137Cs and 134Cs/137Cs atomic ratio distribution of intact element W3

圖9 相鄰元件W3、P4的134Cs /137Cs原子比軸向分布Fig.9 134Cs /137Cs atomic ratio axial distribution of sibling element of W3 and P4

2.3 燃料缺失測量

為得到滿足一定統計誤差的154Eu計數，需要測量的時間較長，因此選取了部分破口處進行測量。破損元件P2，對距底端2 997 mm處破口，在破口處及其兩端取3點(2 970、2 997、3 012 mm)分別進行1 h測量，137Cs、154Eu計數分布如圖10所示。破損位置易揮發性核素Cs流失明顯，低揮發性核素154Eu未發現有明顯下降，因此初步推斷破口處燃料芯塊基本沒有缺失，只有易揮發性裂變產物流失，與X光照相檢查結果相一致。

圖10 元件P2破口處長時間測量Fig.10 Measurement at failed position of P2

破損元件P4，對距底端3 120 mm處破口，在破口位置及兩端5個位置(3 020、3 090、3 120、3 150、3 220 mm) 分別進行1 h測量，137Cs、154Eu計數分布如圖11所示。破損位置易揮發性核素Cs流失明顯，低揮發性核素154Eu未發現有明顯下降，因此初步推斷破口處燃料芯塊基本沒有缺失，只有易揮發性裂變產物流失，與X光照相檢查結果相一致。

圖11 元件P4破口處長時間測量Fig.11 Measurement at failed position of P4

破損元件P1的X光照相結果顯示，在距底端1 193 mm處破口存在燃料缺失，缺失處位于芯塊端部，如圖12a所示。在137Cs計數最低位置找到芯塊間隙，分別在間隙處+1、+6.5、+12 mm處(燃料缺失芯塊的兩端及中間)進行5、1、1 h測量，1 274 keV能量峰凈計數分別為1 170、275、282，換算為1 h計數率如圖12b所示，燃料缺失處低揮發性核素154Eu計數下降，較其他兩處下降約16%。

圖12 元件P1破口處長時間測量Fig.12 Measurement at failed position of P1

3 結論

2) 破損元件破口處存在137Cs計數突變(降低)，因此可通過軸向γ掃描輔助破口位置定位，破口處137Cs計數降低區域寬度約10 mm，建議對破損燃料元件測量時掃描間隔不大于2 mm。

3) 燃料元件破損后，存在Cs流失的情況下，破損元件134Cs/137Cs原子比分布與相鄰完整元件基本一致，表明134Cs、137Cs流失比例近似相等，可用134Cs/137Cs原子比表征其相對燃耗分布。

4) 破口處可通過低揮發性核素154Eu計數水平判斷燃料芯塊是否缺失及缺失程度。

以上結果可為燃料元件破損原因分析及堆內行為分析提供重要依據。