拉棒中斷現象對燃料棒表面劃傷深度的影響研究

亢方亮

海軍裝備部，陜西 西安 710000

1 燃料棒概述

在反應堆正常運行中，燃料棒棒體結構應保持完整性，并將核燃料的裂變產物始終包容在內，以實現核能的安全有效利用。一座壓水反應堆有成千上萬支燃料棒，這些燃料棒是核反應堆內實現核能利用的核心部件。

從結構上來講，燃料棒是通過拉棒過程被組裝成為燃料組件的一部分。組裝后，受燃料組件格架柵元剛凸和夾持彈簧的橫向作用，燃料棒豎立在燃料組件的下管座上。從燃料組件的設計要求來看，燃料組件格架柵元內的剛凸和夾持彈簧與燃料棒之間有一定橫向夾持力的作用，使得燃料棒在燃料組件內不會輕易軸向竄動（比如在燃料組件運輸中或反應堆運行初期）。在實施拉棒過程時，上述橫向夾持力以格架柵元剛凸和夾持彈簧與燃料棒之間存在摩擦力的形式體現出來。拉棒后，燃料棒棒體表面總是不可避免地會有可見的拉棒劃傷。通常，基于滿足反應堆結構材料的綜合性能要求，燃料棒棒體材料的硬度遠小于定位格架剛凸及夾持彈簧的硬度，導致拉棒劃傷主要集中在燃料棒棒體表面，而定位格架剛凸和夾持彈簧沒有被劃傷的現象。在工程實際中，為節省材料及提高換熱效果，燃料棒包殼往往采用薄壁管。為滿足燃料棒全壽命期內的完整性要求，燃料棒棒體的表面劃傷深度應按相關質量要求嚴格控制。

正常拉棒時，燃料棒棒體表面劃傷深度是能夠滿足相應控制要求的。但在某工程燃料組件正常拉棒過程中，因機器故障出現拉棒中斷現象，經檢查修復，恢復拉棒過程。為了解該中斷現象是否會導致燃料棒棒體表面劃傷深度的明顯加深，并且受拉棒中斷現象影響的燃料棒棒體表面劃傷深度是否仍然能夠較好地滿足相應質量控制要求，文章開展了拉棒中斷現象對燃料棒表面劃傷深度的影響試驗研究及分析。

2 試驗準備

（1）經檢驗合格的燃料組件骨架，主要特性為骨架中各格架柵元位置度正確，柵元剛凸與對應夾持彈簧所形成的夾持力在技術要求范圍內。（2）棒體表面質量完好的燃料棒若干。（3）專用拉棒機，指能夠實現拉棒速度可調節的燃料組件生產專用拉棒機。（4）檢測用的專用顯微鏡，指能夠準確檢測出精度為微米級的燃料棒表面劃傷深度的顯微鏡。（5）其他輔助工器具。

3 試驗方案

3.1 總體要求

采用工程現有的拉棒系統，按規定的拉棒程序拉棒，開展兩次拉棒試驗。每次拉棒試驗，選取燃料組件骨架的四層格架柵元為試驗研究對象，拉棒過程均采用工作許可的拉棒速度。在具體試驗時，以從下向上數第一、中間、倒數第二、倒數第一層格架柵元為試驗研究對象。

每次拉棒試驗后，應確保對試驗棒的信息進行正確跟蹤，主要有試驗次別、燃料棒號、格架柵元層號及順序號等。在從燃料組件格架柵元中拉出每層的所有試驗燃料棒時，應緩慢勻速，不允許造成棒的明顯彎曲。采用專用顯微鏡對燃料棒的棒體表面劃傷深度進行檢測，將測得的每支棒的棒體最深劃傷深度作為該支棒劃傷深度的有效數據（考慮到應重點關注燃料棒表面最嚴重的劃傷深度，文章中不區分格架剛凸和夾持彈簧兩種接觸形式對燃料棒表面造成的劃傷，也不區分劃傷的具體位置）。

對兩次試驗的格架相同層號柵元中檢測出的最深劃傷深度有效數據進行比對（為避免骨架翻轉前后格架同一柵元兩次參與拉棒試驗劃傷深度數據的分析，舍去兩次拉棒試驗中交叉重復的格架柵元所對應的燃料棒劃傷深度數據）；分析討論拉棒中斷現象對燃料棒表面劃傷的影響；最終得出控制拉棒劃傷的建議及拉棒中斷現象對拉棒劃傷深度影響的結論。

3.2 試驗方案一

將燃料組件骨架正常放置于拉棒平臺，預先在燃料棒全長的1/5、2/5、3/5、4/5處做人工標記，當該標記處分別到達某層格架內部大約與格架剛凸或彈簧接觸處時手動中斷拉棒過程，以模擬拉棒中斷現象。中斷現象后，再繼續拉棒過程，直至該層的燃料棒被完全拉入燃料組件柵元，并最終將燃料棒拉出燃料組件，對棒體劃傷深度數據實施檢測。每層棒的拉棒中斷現象出現四次后，完成該層的拉棒試驗。依次開展選定的后續三層格架柵元（中間層、倒數第二層和倒數第一層）的燃料棒拉棒中斷現象試驗。

3.3 試驗方案二

將所用燃料組件骨架順時針翻轉90°，拉棒時不中斷拉棒過程，分別完成格架第一層、中間層、倒數第二層、倒數第一層共4層格架柵元的拉棒過程，拉棒過程每層中斷4次，并最終將試驗棒拉出格架柵元，對棒體劃傷深度數據實施檢測。

4 試驗及數據檢測比對

按上述試驗方案完成兩次試驗。試驗后，對所有試驗燃料棒體的劃傷采用專用顯微鏡進行檢測，得出每支試驗燃料棒的劃傷數據（劃傷寬度和深度最大值）。通常，目視可看出，拉棒中斷現象對燃料棒表面劃傷寬度的影響很小，并且劃傷深度比寬度更直接地關系著燃料棒體的安全可靠性。因此，文章不對拉棒劃傷寬度贅述，而是以棒體的劃傷深度為研究對象，著重對兩次試驗同層格架柵元對應的棒體劃傷深度最大值數據進行比對分析。

檢測的數據顯示，在將燃料棒拉入格架的第一層柵元過程中，模擬拉棒中斷現象后，棒體的劃傷深度最大值均略大于不中斷拉棒時棒體表面的劃傷深度最大值。并且，模擬拉棒中斷后棒體劃傷深度的最大值所對應棒體的具體位置就是曾經的拉棒中斷處，即對于格架第一層柵元，出現拉棒中斷現象時，燃料棒棒體劃傷深度最大值數據相對略大。

依次開展兩次試驗后續中間層、倒數第二層及倒數第一層格架柵元所對應棒體表面劃傷深度最大值數據的檢測和比對。結果均顯示，出現拉棒中斷現象時，棒體劃傷深度的最大值數據所對應棒體的具體位置就是曾經的拉棒中斷處，數據值也相對略大，且均遠小于相應的質量控制要求。

5 分析及建議

當發生機器故障、突發的停電及需要緊急暫停等情況時，均會出現拉棒中斷現象，這種拉棒中斷現象在拉棒過程中并不能完全避免。因此，拉棒中斷現象是拉棒過程中很可能隨時會出現的一種偶然現象。中斷后，恢復拉棒過程時，由于燃料棒從靜止狀態轉到運動狀態，受到的摩擦力也將由靜摩擦力轉為動摩擦力。

從力學原理分析，由于靜摩擦力的峰值總是略大于動摩擦力，燃料棒棒體所受的摩擦力將在中斷后繼續拉棒時的瞬間達到峰值，導致在燃料棒與格架剛凸或彈簧接觸處棒體表面劃傷深度會有所加深。若在中斷后能夠降低恢復拉棒時的速度，盡可能減小瞬時啟動時的靜摩擦力，有利于減小燃料棒表面劃傷深度。

試驗燃料棒棒體表面的實際劃傷深度的檢測結果也證實了這種情況，即出現拉棒中斷現象時，在棒體與格架剛凸或夾持彈簧的接觸處，其表面劃傷有相對明顯的頓挫痕跡，該位置燃料棒表面劃傷深度相對于附近劃傷處較深，可以說明靜摩擦力對燃料棒的表面劃傷深度的確是略有影響。但從檢測結果的進一步比對來看，相對于不出現拉棒中斷現象，出現拉棒中斷現象時的劃傷深度最大值數據只是略有加深，并未顯示出有明顯的加深。

當然，每支燃料棒拉棒劃傷深度也可能與格架柵元的柵元尺寸或夾持力的細微變化有關系。經查看設計圖及測量實物尺寸，雖然每支格架的邊柵元和角柵元的尺寸略小，但由于夾持彈簧的存在，其格架柵元的夾持力檢測數據與其他柵元基本相同。因此，正常情況下，合格格架的不同柵元（夾持力檢測合格）所對應燃料棒的劃傷深度最大值是不會有明顯差異的。雖然拉棒過程中，格架剛凸比夾持彈簧表現出的變形量更小，但從其對棒體產生的有效劃傷深度的比對來看是未有明顯差異的。通常，只要棒體未受到來自外界橫向外力的作用，那么在出現拉棒中斷現象時，燃料棒的棒體表面劃傷深度是不會出現明顯變化的。

對此，可采用以下兩條建議：（1）在拉棒過程中，減少拉棒中斷的次數，這對燃料棒表面劃傷深度的控制是有積極作用的；（2）中斷拉棒后，若降低恢復拉棒時的拉棒速度，可減小瞬時存在的靜摩擦力，這對減小燃料棒體表面劃傷的有效深度也是有貢獻的。

6 結論

綜合以上試驗研究及分析，可以得出如下結論：（1）在正常拉棒過程中，盡量減少拉棒中斷現象的發生，并適當降低拉棒的速度，對控制燃料棒棒體表面劃傷深度是有積極作用的；（2）拉棒中斷現象不會導致燃料棒棒體表面劃傷深度的明顯加深；受偶然拉棒中斷現象的影響，燃料棒棒體表面劃傷深度仍能夠很好地滿足相關質量控制要求。