壓水堆燃料組件制造監督管理

韓超HAN Chao；呂巖松LV Yan-song；劉原君LIU Yuan-jun

（國核示范電站有限責任公司，威海 264300）

0 引言

燃料組件是壓水堆核電站核裂變反應的主要原料，在核裂變產生巨大能量的同時，多種放射性物質也相應產生。

燃料組件包殼完整時，這些放射性物質被阻擋在燃料包殼內。但一旦燃料包殼破損，部分放射性物質將泄漏到反應堆冷卻劑中，一是造成冷卻劑劑量上升，造成核島部分設備污染，給反應堆內部系統設備檢修帶來困難；二是存在冷卻劑中的放射性進入人居環境的風險。

在燃料組件包殼破損統計中發現燃料組件制造缺陷是燃料組件堆內運行破損原因之一，約占燃料組件總破損率的5%-6%。為減少采購的燃料組件堆內運行破損機率，該文從壓水堆核電站燃料組件結構入手，對燃料組件制造過程、監造要點進行分析，概括了燃料組件制造過程中可能造成燃料包殼破損的主要原因，找出了燃料組件的制造質量缺陷，及時修復、更換具有質量缺陷的燃料組件，有效地降低了燃料組件堆內運行破損的機率。

1 燃料組件破損原因分析

燃料破損原因和機理是多方面的，且很復雜，早在70年代，包殼一次氫化破壞和燃料密實是兩個最普遍的破損原因，被稱為兩種“流行病”。

一次氫化破壞是由于芯塊吸水量較多，在運行時變為蒸汽，與鋯合金包殼內表面發生化學反應，包殼局部大量吸氫，氫化物向外擴展，最后貫穿包殼管壁而形成破口。不久，通過提高芯塊密度、芯塊干燥、控制燃料棒內含氫量等措施有效地防止了一次氫化破壞；初始密度較低的UO2芯塊在運行初期發生密實化效應，體積減小，形成軸向間隙，而且燃料棒預充氦氣壓力低，這樣，包殼在冷卻劑外壓下向里蠕變，最后在芯塊間隙段變成扁平。防止措施是提高芯塊密度和預充氦氣壓力。

近幾年來，外來異物磨蝕、格架磨蝕和制造缺陷是主要破損原因，詳見表1。

表1 壓水堆燃料組件破損原因

進入一回路中的金屬絲或鋯絲等卡在燃料組件上，在水流沖擊下與包殼發生振動磨蝕，嚴重時包殼被磨穿，往往產生大破口，不但使裂變氣體大量釋放，而且燃料碎屑也會逸出，危害相當大，這是數量大而又普遍發生的一種破壞，在美國，2000 年占全部破損組件的50%以上；在法國，在AFA 組件泄漏棒中高達71%。在大亞灣核電廠，8組燃料組件發生泄漏原因很可能屬于這種異物磨蝕破壞。在這些格架振動磨蝕破損的燃料組件中，發現約有1/5 是由于燃料組件中的鋯屑或鋯屑積瘤磨蝕燃料棒造成的。通過組件設計改進（增加防止異物進入的濾網等）大大減少了這種破損，但未杜絕。

制造缺陷是燃料組件破損的又一原因，表1 可以看出，燃料組件制造缺陷引起的破損約占整個燃料組件破損的5%-6%。曾在1994 年底，法國一個堆的燃料因制造過程中UO2芯塊上濺上甲醇（甲醇屬碳氫化合物，高溫輻照下有水生成），造成10 根棒泄漏，被迫非計劃停堆換料。

從上述鋯絲磨蝕燃料組件造成燃料組件破損和制造缺陷引起的燃料組件破破率來看。采購時嚴格控制燃料組件制造質量，加強燃料組件制造監督勢在必行。

2 燃料組件制造監督

2.1 燃料組件結構

目前，國內壓水堆核電站多數采用AFA-3G 型燃料組件，每個燃料組件含有289 個棒位，呈17×17 正方形柵格柵元排列。其中264 個柵元為燃料棒，24 個柵元為導向管，為燃料組件的格架提供支承，1 個中心柵元為儀表管。儀表管位于燃料組件的中心位置，為堆內中子通量探測器和堆芯出口熱電偶提供插入通道。

AFA-3G 燃料組件包含上管座、下管座及11 層格架，11 層格架分別為1 層上端部格架、1 層下端部格架、6 層中間格架和3 層中間流量攪混格架。燃料組件的結構設計能夠完全容納燃料棒，確保整個壽期內燃料棒兩端與上、下管座間留有足夠間隙。

大亞灣壓水堆核電廠，堆芯裝有157 組結構上完全相同的17×17 的AFA3G 型燃料組件，位于堆芯上、下板和圍板所圍成的空間內。初始堆芯為三區布置，富集度3.10%的52 組燃料組件裝在堆芯外圍，稱為3 區（外區）；富集度1.80%的53 組和富集度2.40%的52 組燃料組件按棋盤式交替裝在內區，稱為1 區（內區）和2 區（中區）。采用年換料制，每年更換52 組燃料組件。換料用的新燃料組件富集度為3.20%裝在外區，其余的燃料組件依次按棋盤式重新布置，使堆芯功率分布盡可能均勻。燃料組件由燃料棒和燃料組件骨架組成，而燃料組件骨架由上、下管座、定位格架、導向管和儀表管組成。

2.2 燃料組件制造流程

燃料組件制造從六氟化鈾氟化開始，經由二氧化鈾粉末、二氧化鈾芯塊，最終與燃料包殼、零部件等組裝成燃料組件。

在燃料組件制種過程中，影響燃料組件質量的因素很多，如二氧化鈾芯塊制備、燃料棒焊接、骨架焊接、燃料棒拉棒、組件組裝、組件清洗等這些任何一個環節微小操作失誤或操作不當均能引起質量波動。

2.3 燃料組件制造監督

國外運行經驗表明，燃料制造缺陷至今仍是燃料破損的主要原因之一，繼續改進制造工藝并加強監造是實現燃料組件“零缺陷計劃”的主要措施。因此各核電企業都是將核燃料監造作為確保核電安全運行的重要工作來做的。

核燃料監造跟其他行業的監造工作是有很大區別的，核燃料監造要達到實時在線式的全過程全覆蓋的目標。實時在線是指履行監造職責的人員直接在核燃料制造現場并能在第一時間完成相關監造業務，能實時掌握生產工藝運行情況及生產進度；全過程全覆蓋是指監造工作要覆蓋到從原材料采購入廠到最終產品出廠驗收的整個生產過程。

在燃料組件制造期間，雖然國內各核電站業主單位派遣了一部分人員對本單位的燃料組件制造過程進行了監督，并且按要求設置了R 點、W 點、H 點。但由于監造差異及人員水平各異，所以監造的最終效果也不一樣，有的根本起不到監督作用。

在燃料組件制造過程中，為了加強燃料組件制造監督管理，進一步減少燃料組件由制造原因引起的破損機率，各核電站業主紛紛對燃料組件監造人員進行了業務培訓，同時加強了對燃料組件制造服務監督，設置了燃料制造廠自行監督、設計后援獨立監督、核電業主獨立監督的三重監督體系，燃料組件的制造服務監督是從原材料采購開始到燃料組件制造完工的全過程。

在文件審查方面，對供應商訂單（分包合同）、質量計劃、不符合項報告、現場制造文件以及完工報告嚴格按設備規格書及采購要求進行審查，一人審查，另一人復查，確保文件符合規范要求。涉及原材料采購、零部件制造以及最終產品制造完成的整個過程，通過審查這些文件的可追溯性、符合性、準確性等信息，確認這些產品的生產過程質量可控，從而減少產品缺陷的產生。

在產品見證方面，對其全部或者部分抽檢指標的符合性檢查，從而確定其質量是否可以接受。燃料組件制造的見證包括工藝/產品合格性鑒定見證和產品見證，其中產品見證又包括：UO2芯塊，上管座部件，下管座部件，格架，燃料棒、骨架、燃料組件等的見證。對于重要工序要設置停工待檢點，監造人員要實施100%見證確認，否則該產品不得進入下一道工序。

交付驗收：由于燃料組件的重要性，交貨后的燃料組件直接進入乏燃料水池內，難以驗證其質量特性以及設計、制造或試驗過程復雜，因此采用了交付驗收的方法。交付驗收需要對燃料組件的總體情況按照合同和相關技術條件的要求進行全面的檢查，這些檢查包括交付前組件完好性、性能檢測、密封性試驗、設備標識、包裝情況、完工文件情況等，避免把質量缺陷帶到核電站反應堆內。如圖1所示。

圖1 燃料組件制造流程圖

除此之外，電站業主的監造人員經常對制造現場的設備有效期、操作規范性、設備缺陷性等進行檢查，發現問題及時制止，有效地減少了缺陷組件的產生。通過上述措施，發現了一系列質量缺陷問題，減少了缺陷組件入堆造成組件破損風險。檢查出的質量缺陷舉例見圖2。

圖2 燃料組件缺陷圖

通過加強一系列的燃料組件制造監督措施，燃料組件由于制造缺陷原因破損的組件由原來的5%-6%減少到了約2%-3%。

3 結論

①燃料組件制造缺陷是造成燃料組件堆內運行破損原因之一，結果表明燃料組件制造原因引起的燃料組件破損占總組件破損的5%-6%。

②采用燃料制造廠自行監督、設計后援獨立監督、核電業主獨立監督的三重監督體系，并通過加強燃料組件制造監督能有效地提高了燃料組件產品質量，減少了燃料組件在堆內運行破損機率。