核電站破損燃料組件在線啜吸檢測系統設計

谷明非，黃大貴，曾 勇，江 山，簡 明

(1.電子科技大學機械與電氣工程學院，四川 成都 611731；2.成都中核海川核技術有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

燃料組件是核反應堆的核心，在高溫、高壓和高輻射條件下長時間運行，且在運行過程中會受到水沖、振動、輻照、發熱、腐蝕等諸多因素的影響。燃料棒是燃料組件中的重要組成部分，主要功能為釋放熱量，是核安全三大屏障中的第一道屏障。它容納燃料運行過程中產生的裂變產物。一旦燃料棒損壞，放射性裂變產物會釋放到反應堆主回路，導致冷卻劑放射性增加。因此，燃料棒的完整性和嚴密性對核反應堆的安全運行至關重要[1-3]。目前，雖然燃料組件在設計、制造和運行方面都達到了很高的水平，但很難保證燃料組件在整個循環過程中完全不被損壞。據法國阿海琺公司對2007年至2014年運行的燃料組件的統計，燃料棒的破損率一般為1.3×10-5。盡管反應堆運行安全限值允許有一定的破損燃料棒存在，但如果破損狀況擴展和蔓延，可能會嚴重影響反應堆的安全性和環境安全；同時，增加人員的受照射劑量，可能導致降低反應堆運行功率，甚至關閉核反應堆。因此，加強對燃料組件的破損檢測是十分必要的。在線啜吸檢測是壓水堆核電站檢測燃料組件是否破損的常用方法[4]。

目前，國內核電站普遍采用以單片機為處理核心的在線啜吸檢查設備，存在顯示內容少、功能有限、數據處理困難、檢測靈敏度低等缺點。國內許多單位(如中核北京核儀器廠和北京核工程研究院[5-6]等)針對如何提高在線啜吸檢測設備的性能開展了研究。

本文以燃料組件裂變產物釋放理論為基礎，基于計算機控制技術和數據分析技術，開展了破損燃料組件在線檢測與評估技術的研究。研究結果表明，本文研制的在線啜吸檢測裝置將傳統核探測技術與現代計算機控制技術相結合，能夠有效地檢測和評估燃料組件的損傷。

1 燃料組件及破損特征核素

1.1 壓水堆核電站燃料組件

壓水堆核電站燃料組件主要由上管座、端部格架、跨間格架、結構格架、燃料棒、下管座組成。燃料棒一般以17×17的形式布置，并由帶彈簧的端部格架和結構格架夾緊，以保持彼此之間的橫向間隙。燃料組件結構[7]如圖1所示。

圖1 燃料組件結構示意圖

1.2 燃料組件產生的裂變產物

235U核燃料在中子轟擊下發生鏈式裂變反應。該反應在釋放能量的同時，也會釋放大量的裂變產物。裂變過程如下:

(1)

式中：n為中子；Y為裂變產物；X為產生的中子數量；ΔE為釋放的能量。

裂變產物主要分為以下幾類。

①惰性氣體。惰性氣體主要是氪(Kr)和氙(Xe)等，化學性質不活潑，在燃料組件損壞時會較容易釋放到環境中。

②鹵素。鹵素主要是碘(I)，易溶解在冷卻劑里。

③堿金屬。例如銫(Cs)等揮發性強，易與水反應。

④惰性金屬。例如釕(Ru)、鍺(Rh)、鈀(Pd)、鉬(Mo)等，不易揮發。

⑤稀土和錒系元素。這兩組元素不易揮發。

因此，易于泄漏擴散到環境中，從而被探測到的核素主要包括Kr、Xe、I、Cs等。

1.3 破損特征核素

正常情況下，裂變產物被密封包容在燃料棒內，與外界隔離。如果燃料棒發生破損，這些裂變產物就會從破口處泄漏出來，進入反應堆回路或環境中。如果在反應堆回路或環境中檢測到這些裂變核素的存在，就可以確定燃料組件出現了破損。133Xe和85Kr為惰性氣態放射性同位素，便于被采集和探測，且133Xe衰變過程中有一個81 keV的γ能量峰[8-9]。因此，本文選擇133Xe作為識別破損燃料組件的被檢測特征核素。

133Xe的半衰期為5.25天，在發生β衰變時會伴隨產生份額為96.1%的81 keV 的γ射線。這就為探測133Xe提供了可能。其余狀態的γ射線份額占比較小，可以忽略不計。

2 在線啜吸檢測原理

2.1 在線啜吸檢測要求

在線啜吸檢測系統安裝在反應堆換料機上[10-12]。核探測器通過對γ射線的檢測來判斷是否存在裂變核素133Xe，從而對燃料棒是否破損作出評價。根據核電站檢測要求，在線啜吸檢測時間一般不超過5 min。

在反應堆的卸料過程中，換料機從反應堆堆芯中抓取燃料組件并將其向上提升取出堆芯。當燃料組件上升到換料機固定套位置時，由于水層變淺，水層對燃料組件的外部壓力減小。如果燃料棒有破損，燃料棒內部壓力會導致133Xe等裂變氣體從破口處泄漏出來。換料機在固定套筒底部有一吹氣鼓泡管。吹入鼓泡管的壓縮空氣氣泡將攜帶泄漏的裂變氣體上升到換料機固定套筒的頂部。這里的吸氣裝置將包含有裂變氣體的混合空氣吸入測量室，通過測量室氣體回路的γ活度測量并記錄系統測量氣體的放射性。當燃料組件破損時，燃料組件的裂變產物主要是氣態放射性同位素133Xe。如果檢測到133Xe的存在，就可以判定燃料棒發生了破損。

在線啜吸檢測系統原理如圖2所示。

2.2 燃料組件破損判斷標準

一般而言，破口系數f可作為識別被測燃料組件是否破損的指標參數。f為133Xe 的γ計數率與本底計數率的比值，定義為:

(2)

式中:R0為本底計數率，即10組未破損燃料組件的本底平均實測值;R1為133Xe計數率。

如果f<1.3，則認為是正常無破損的燃料組件。如果f≥3，則認為是破損燃料組件。如果f為1.3～3，則認為是疑似有破損的燃料組件，應進行進一步的分析和測試。

3 在線啜吸檢測系統設計

在線啜吸檢測系統包括機械系統和計算機處理系統兩大部分。系統主要技術指標如下。

①γ射線的測量靈敏度。

將源強為3.7×105Bq的133Ba標準γ源放在測量位置時，133Ba的81 keV的γ峰面積計數率大于1 000 cps(cps表示再秒采集到的信息數)，全能峰面積計數率大于6 000 c/s。后兩者應需進一步通過離線啜吸系統或超聲檢測判定其是否破損及破損程度。

②系統的能量分辨率≤ 9%(137Cs)。

③系統的本底≤480 c/min。

④注氣管線壓力為0.7 MPa。

⑤啜吸氣管線壓力為0.08 MPa。

⑥裝置外形尺寸為1 550 mm×600 mm×400 mm(長×寬×高)。

3.1 機械系統

機械系統主要由采樣氣路和測量室組成。在測量室中安裝了一臺伽馬能譜儀，用于檢測133Xe的活性。所有電氣、氣體電路、伽馬探測器和其他組件都集成在同一控制柜中。在線啜吸檢測系統控制柜如圖3所示。控制柜的上部空間由觸摸屏、工控機、低壓電源、線性運算放大器和運動允許指示器組成。控制柜的下部空間包括氣體采樣回路、屏蔽容器、伽馬探測器、氣體回路操作閥、指示板等。

圖3 在線啜吸檢測系統控制柜

氣體采樣回路如圖4所示。

圖4 氣體采樣回路示意圖

控制柜的主要功能是將待測氣體通過氣體回路吸進測量室，通過測量室內的伽馬探測器進行檢測。為了減少環境本底對測量的影響，控制柜采用屏蔽容器對環境劑量進行屏蔽。氣體回路包括氣體噴射、吸入/沖洗和排氣回路。為了防止檢測儀被測量室內的超限壓力損壞，在回路中設置了安全閥。

測量室安裝在屏蔽容器內。屏蔽容器由三層介質組成:外套采用不銹鋼制成；套內充鉛；內壁嵌有襯板里，以減少軔致輻射效應。屏蔽容器整體采用三級結構，便于拆裝，以及內部部件的安裝和維護。屏蔽容器的底部預留有放置放射性標準源的抽屜，上部有探測器導絲管。測量室結構如圖5所示。

圖5 測量室結構圖

3.2 計算機處理系統

系統軟件采用vc++ 6.0開發，操作環境為Windows7操作系統。為了滿足應用的需求，考慮到安全性和可維護性等方面，軟件設計基于功能模塊化的原則，將系統分為多個功能模塊進行開發。計算機處理系統主要包括人機交互界面功能模塊、實時數據采集模塊、數值計算與分析判斷模塊、數據庫與報表輸出模塊。

實時數據采集模塊負責調用硬件的驅動應用程序接口(application program interface，API)函數，實時獲取γ能譜積累信息，并通過計算模塊計算出特征峰感興趣區域(region of interest，ROI)的當前計數率。數值計算與分析判斷模塊對檢測數據進行計算和分析。如果計算結果超過了技術要求限值，該模塊就判斷為燃料組件出現了破損，同時會發送報警信息，提醒現場操作人員盡快響應。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

數據庫和報表輸出模塊實時存儲采樣數據值，生成磁盤記錄，供離線查看和打印報表。人機交互界面提供友好的輸入窗口，直觀地顯示當前的測量狀態和報警狀態，并提供手動干預測量過程的控制界面。人機交互界面主要由標題欄、菜單欄、信息欄、圖形欄和輔助欄組成。

3.3 與核電站現役在線啜吸系統的比較

本文設計的在線啜吸檢測系統，相比目前核電站現役在線啜吸系統具有較強優勢。

在線啜吸檢測系統性能對比如表1所示。

表1 在線啜吸檢測系統性能對比表

4 在線啜吸系統校準

4.1 啜吸模擬試驗及標定

在線啜吸在每次開始測量之前，需要使用標準放射源對其進行模擬試驗及標定。測量γ活度時一般選用133Xe。測量用的探測器由NaI閃爍體和光電倍增管等組成。每次檢測前，需用γ標準源對γ活度測量系統進行檢查，滿足技術要求后才能開始檢測工作。因133Xe 存在一個81 keV的能量峰，而133Ba 也有一個81 keV的能量峰且半衰期較長(約10.5 年)，所以可以使用133Ba 放射源作為啜吸裝置的模擬試驗放射源及標定源。133Ba放射源標定測量曲線如圖7所示。

圖7 133Ba放射源標定測量曲線

試驗步驟如下。

①開機自檢測試合格后，需要對核數據單元進行檢查。

②將標定源放入測量位置，開始一次測量。到達測量預設時間后，檢查當前能譜曲線中是否有標定源的特征峰曲線，以及計數率值是否超過本底10倍以上。如能譜曲線出現81 keV 的能量峰，則證明系統正常，能夠識別。

4.2 在線啜吸系統應用

破損燃料組件能譜曲線如圖8所示。

圖8 破損燃料組件能譜曲線

利用本文的數字式破損燃料組件在線啜吸檢測設備，對國內某核電站進行了反應堆全堆芯157組燃料組件在線啜吸檢測，發現其中有1組燃料組件出現了明顯的81 keV 的γ能量峰，即探測到了133Xe，因此被判定為是破損燃料組件。

5 結論

本文針對核電站燃料組件在線破損泄漏檢測的需求，進行了放射性裂變氣體特性及檢測技術研究，并開展了數字式破損燃料組件在線啜吸檢測系統設計。研究結果表明，采用基于啜吸技術測量133Xe裂變氣體的γ能譜，并結合計算機數據處理技術的方法，可以檢測和判定壓水堆核電站燃料組件是否存在破損。

由于停堆初期133Xe的份額較大，且133Xe的能量峰值為81 keV，選擇133Xe作為破損燃料組件的檢測核素有利于識別和檢測。同時，由于133Xe半衰期較短，其作為檢測核素時，應在反應堆停堆后盡快進行在線啜吸檢測，建議不宜超過15 d。

本文設計的數字式破損燃料組件在線啜吸檢測系統采用現代計算機控制和數據處理技術，人機界面友好，數據查詢和處理方便快捷，可以有效識別破損燃料組件，滿足燃料組件在線破損泄漏檢查要求。該設計的性能優于目前核電站常用的傳統在線啜吸系統。