壓水堆乏燃料棒渦流探傷技術研究

劉歆粵 羅曼 王華才 朱欣欣

摘要：針對秦山一期核電站輻照后的乏燃料棒探傷檢驗，文章在熱室中建立了一套可遠程控制的渦流實驗裝置，對乏燃料棒進行了全尺寸渦流探傷；檢查發現燃料棒包殼完整，無穿壁性缺陷和內外壁裂紋，僅在外表面出現了一些小的劃傷；渦流探傷結果與外觀檢驗結果一致，這是首次在國內熱室對全尺寸乏燃料棒進行的渦流探傷工作。

關鍵詞：渦流探傷??乏燃料棒??熱室??壓水堆??輻照后檢驗

中圖分類號：TL421.105?????????????文獻標志碼：A????????????文章編號：

Research?on?Eddy?Current?Testing?Technology?for?the?Spent?Fuel?Rod?in?Pressurized?Water?Reactors

LIU?Xinyue??LUO?Man??WANG?Huacai??ZHU?Xinxin

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

Abstract：?In?view?of?the?flaw?detection?test?for?the?spent?fuel?rod?after?irradiation?in?the?Qinshan?PhaseⅠnuclear?power?plant，?this?paper?sets?up?a?set?of?eddy?current?experimental?equipment?that?can?be?remotely?control?in?the?hot?cell，?carries?out??eddy?current?testing?for?the?full-scale?spent?fuel?rod.?After?the?examination，?it?is?found?that?the?cladding?of?the?fuel?rod?is?complete，?without?through-wall?defects?and?inner?and?outer?wall?cracks，?and?with?only?some?small?scratches?on?the?outer?surface.?The?result?of?eddy?current?testing?is?consistent?with?that?of?appearance?inspection.?This?is?the?first?eddy?current?testing?for?the?full-scale?spent?fuel?rod?in?the?hot?cell?in?China.

Key?Words：?Eddy?current?testing;?Spent?fuel?rod;?Hot?cell;?Pressurized?water?reactor;?Post-irradiation?examination

核燃料組件是反應堆的重要組成部分。燃料棒包殼管在堆內使用時要面臨高溫、中子輻照、表面高速水介質沖刷、芯塊包殼相互作用及內部裂變產物腐蝕等情況，這些因素都有可能使包殼產生缺陷或使原有缺陷擴展，造成潛在危害。因此，為積累和分析輻照后燃料棒結構、性能變化數據，以改進燃料組件制造工藝，提高國產化制造水平，需要對乏燃料棒進行一系列的輻照后檢驗工作。

針對乏燃料包殼缺陷的無損檢測，一般采用外觀觀察的方式進行。中國原子能科學研究院反應堆材料輻照后檢驗研究室在CARR配套熱室中，首次運用渦流探傷技術[1-4]，對秦山一期8根乏燃料棒進行了全尺寸渦流探傷研究，建立了一套可遠程控制的渦流實驗裝置，填補了我國壓水堆乏燃料渦流探傷研究的空白。此前，在我國核工業領域，對渦流探傷技術的研究主要集中在對主泵、汽輪機、蒸汽發生器等設備的管材和燃料棒包殼管的檢驗檢測[5]。

1?背景

秦山核電站利用現有的燃料組件修復裝置，抽取了8根燃料棒進行熱室檢驗，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、運行部門，為改進燃料組件的制造工藝、提高國產化制造水平、加深燃耗提供依據。

熱室對接運輸容器吊籃見圖1所示。待檢測燃料棒由上端塞、包殼、下端塞，以及其中的燃料芯塊與彈簧構成，結構形式見圖2所示，相關參數見表1。包殼管材料為Zr-4合金，包殼厚度為0.7?mm，燃料棒外徑為10?mm，包殼內徑為8.6?mm，燃料棒總長度為3?200?mm。

2??實驗

2.1??設備

研究所用的設備為中國原子能科學院反應堆材料輻照后檢驗研究室自行設計的CARR熱室多功能臺架。整套渦流探傷裝置包括熱室內的臺架、環繞式渦流線圈、熱室外的渦流儀[6]、計算機、步進電機、電源和控制系統，其系統布置如圖3所示。該裝置可將燃料棒固定于卡盤和支架上，以保證檢測時燃料棒可平穩穿過渦流檢查測量架，獲得可靠數據，掃查速度和掃查間距均可自動控制。整套檢測裝置放置于熱室內，計算機與控制系統位于熱室前區，進行檢測時實驗人員位于熱室前區，用計算機對系統進行控制，實驗人員與實驗臺架進行物理隔離，這樣可以保證實驗人員免受放射性部件的輻射危害。

2.2?人工缺陷參比試樣制備及其標定

渦流檢驗是一種間接的檢驗方法，需要先用具有已知缺陷大小和類型的參比試樣對儀器進行標定[7]，通過與參比試樣的信號比較獲得檢驗結果[8-9]。因此，檢驗燃料棒前，首先加工制造了和乏燃料棒包殼同樣材質的參比試樣，其人工缺陷參考試樣相關參數見表2。

渦流探傷時前先用機械手將Zr-4材質的參考試樣放置于臺架上，利用熱室內渦流探傷裝置對其進行檢驗，人工缺陷參考試樣渦流檢測結果如圖4所示。不同尺寸、類型的缺陷可由X、Y方向的數據曲線形狀看出。

2.3?檢測結果

根據人工缺陷參考試樣檢測結果，從距底端47?mm處對乏燃料棒依次進行渦流探傷檢查。其結果為燃料包殼保持完整，無穿壁性缺陷、內外壁裂紋，格架位置處由于燃料棒表面有磨痕出現較明顯的信號[10]。選取其中3根燃料棒渦流探傷檢查結果與其外觀觀察結果進行對比，可認為整套渦流檢測結果真實可靠，渦流裝置可較好地完成相關檢測任務。渦流檢查結果如圖5所示，外觀觀察結果如圖6所示。

3?結語

這是我國首次對全尺寸乏燃料棒進行的渦流探傷工作，在熱室內，對長尺寸燃料棒渦流探傷檢測具有一定挑戰性，在操作和實驗方面都有一定風險和難度，檢驗是乏燃料棒無損檢測的良好實踐。該渦流探傷實驗臺架及檢測系統可以穩定、高質量地完成行走、數據采集等動作，可靠性較高，且有自主知識產權，可為我國今后熱室內無損檢測技術尤其是渦流探傷技術的發展提供參考。通過與外觀結果進行對比，該裝置的檢測結果真實可靠，可為核燃料的堆內行為分析、性能提升、破損原因分析提供數據支撐。

參考文獻

[1] 馮建章.無損檢測技術在特種設備檢驗中的應用[J].造紙裝備及材料，2021（11）：8-10.[2] 張衛明，岳明明，龐煒涵，等.渦流陣列檢測技術的研究進展現狀分析[J].機械制造與自動化，2018，47（1）：181-183.