壓水堆乏燃料元件包殼表面氧化膜厚度測量技術研究

羅曼

摘? 要：在壓水堆中，核燃料元件長期受高溫、高壓、高輻照等環境影響，其外包殼表面會形成黑色致密氧化膜。氧化膜會降低燃料元件的熱交換能力，使燃料性能惡化，影響反應堆安全運行。為完成秦山一期燃料元件輻照后檢驗工作，首次在國內熱室中，運用渦流方法對乏燃料元件進行了全尺寸氧化膜厚度測量研究。該文介紹了在熱室中通過遠程控制測量裝置對秦山一期的8根乏燃料元件進行的渦流氧化膜厚度測量工作，所得測量結果準確度較高，可以認為該方法是研究全尺寸乏燃料元件表面氧化膜厚度的較好方法之一。

關鍵詞：乏燃料棒? 氧化膜測厚? 渦流技術? 熱室? 壓水堆

中圖分類號：TL292? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（c）-0063-04

Research on Measurement Technique of Oxide Film Thickness on Surface of Spent Fuel Element in PWR

LUO Man

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

Abstract： In the Pressurized Water Reactor（PWR）， fuel elements are in the condition of high temperature， high pressure and high irradiation. And a dense black oxide film can be formed on the surface of the fuel rod cladding. The oxidation film will reduce the heat exchange capacity of fuel road， worsen the property of fuel element and influence the safety of the reactor. In order to complete the post-irradiation inspection of Qinshan PhaseⅠNPP fuel elements， for the first time in a domestic hot cell， a full-scale oxide film thickness measurement study is done by using eddy current methods. In this paper， a nondestructive eddy-current is used to measure oxide film thickness on the 8 fuel rods of Qinshan Phase Ⅰ NPP fuel elements. The obtained measurement results are highly accurate， and this method can be considered as one of the better methods for studying the thickness of the oxide film on the surface of the full-scale spent fuel element.

Key Words： Spent fuel rod; Oxide film thickness measurement; Eddy-current technique; Hot cell; PWR

“壓水堆燃料組件輻照后檢驗研究[1]”是《壓水堆核電站中國先進燃料組件研制》項目的重要課題之一，其目的是通過秦山核電廠燃料棒輻照后檢驗，獲取輻照后燃料棒結構、性能變化數據，驗證國產燃料組件的設計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據。將檢驗結果反饋到燃料設計、制造和運行部門，為改進燃料組件制造工藝、提高國產化制造水平、加深燃耗提供依據。

壓水堆燃料組件輻照后檢驗研究中，重要工作之一就是對乏燃料棒進行氧化膜厚度測量。這是由于燃料棒包殼管在堆內高溫、輻照環境中會發生腐蝕，在其外表面形成氧化膜。由于氧化膜的存在，包殼表面與冷卻劑之間的熱阻會增大，燃料組件的熱交換能力會降低，使反應堆存在潛在安全風險。

1? 測量背景

秦山一期燃料組件由燃料棒、上管座、下管座、彈性定位格架、控制棒導向管、通量測量管等組成[2]，有20根控制棒導向管，204根燃料棒，1根中子通量測量管，8個定位格架。燃料棒由二氧化鈾陶瓷芯塊及經過冷加工和消除應力的Zr-4包殼組成，包殼厚度為0.7 mm，燃料棒外徑為Ф10 mm，燃料棒總長度為3200 mm，燃耗參數見表1。

2? 實驗情況

2.1 實驗前準備

利用渦流檢測中的提離效應[3-5]，當探頭線圈距被測導體之間的距離發生變化時，探頭線圈阻抗發生變化，根據線圈信號的變化，測出氧化膜厚度，同時通過線圈沿軸向移動的距離確定氧化膜厚度分布情況。將燃料棒固定于熱室[6]內的卡盤和支架上，以保證檢測時燃料棒可平穩穿過渦流檢查探頭架，掃查速度和掃查間距均可自動控制，如圖1所示。

檢測前先采用厚度為12 μm、15 μm、20 μm、30 μm、50 μm、65 μm、80 μm的聚酯膜為標準，利用渦流儀對其相應幅值進行測量，對所測數據進行擬合，獲得幅值與膜厚之間的關系曲線[3]，如圖3所示。利用65 μm、80 μm膜對標準曲線進行驗證，測量誤差在±5 μm以內。

（1）

（2）

其中，x軸為測幅值，y軸為膜厚度值，R為離散度。

2.2 檢查結果

以乏燃料棒1號為例，在熱室內多功能臺架上利用渦流儀及所制作的標準曲線對燃料棒從距離底端

48 mm，采樣間隔1 mm，進行0°、90°、180°、270°這4個方向的氧化膜厚度測量，并根據測量結果可繪制全尺寸氧化膜厚度曲線，同時在圖中標出格架位置，具體見圖2。其余乏燃料棒按照相同方式進行測量。

全部測量結束后，將所測8根乏燃料棒氧化膜厚度測量結果分別按照格架分布進行整理，相關結果見圖3。其中，間隔1氧化膜厚度為第一層格架與第二層格架范圍內氧化膜厚度平均值，后續間隔以此類推。

由圖2、圖3可知，8根燃料棒從第一層格架開始氧化膜厚度逐漸增大，在第五層格架與第七層格架之間氧化膜厚度達到最大，第七層格架后氧化膜厚度逐漸降低，格架附近氧化膜厚度均有一定程度下降。氧化膜厚度“陰陽面”不明顯，四條母線的氧化膜厚度差異在5 μm左右，基本在測量誤差范圍內。根據表1中的組件燃耗情況，由圖5可看出，乏燃料棒氧化膜厚度與燃耗深度基本呈現正相關性。

文獻[7]中報道氧化膜厚度與燃耗之間的關系見圖4、圖5所示，由兩圖數據可以看出，所測量結果與文獻報道一致。與金相檢查數據對比后，該方法結果準確[8]。

3? 結語

這是我國國內首次在熱室中對秦山一期核電站乏燃料棒包殼氧化膜厚度進行全尺寸測量研究，針對8根乏燃料棒的測量結果，與國內外相關研究文獻報道一致。該次測量工作填補了國內對燃料棒氧化膜厚度檢測的空白，為今后開展各項測量研究工作打下了基礎。為核材料、核燃料制造產業提供可靠數據，有利于我國核燃料制造業的發展，對實現我國燃料技術自主化有重大意義。

參考文獻

[1] 附程，湯琪.激光測徑技術在核反應堆燃料棒輻照后檢驗中的應用研究[J].科技資訊2017（13）：210-214.

[2] 湯琪，王華才，附程，等.秦山一期核電廠乏燃料棒包殼外表面氧化膜內應力研究[J].核動力工程，2017，38（Z1）：105-109.

[3] 徐可北，周俊華.渦流檢測[M].北京：機械工業出版社，2004：93-98.

[4] 肖力偉，謝建紅，宋凱，等.基于渦流法的航空發動機關鍵部件熱障涂層厚度測量試驗研究[J].失效分析與預防，2020，15（2）：101-108.

[5] 陶正端，黨嘉強，徐錦泱，等.曲面基體絕緣涂層渦流測厚高精度標定方法[J].浙江大學學報：工學版，2020（54）：1218-1227.

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[8] Shin Inoue，kazuo mori，taro okamoto，et al Post Irradiation Examination of High Burnup PWR Fuel[J].Journal of Nuclear Science and Technolo-gy，1994，31（10）：1105-1118.