后處理廠乏燃料組件破損檢測方法及應用分析

［摘 要］為滿足后處理廠乏燃料接收與貯存設施中乏燃料組件破損檢測的需要，文章介紹了國內乏燃料組件破損檢測方法，分析了乏燃料組件破損檢測設備及原理，比較了3 種檢測方案，給出了適用于后處理廠乏燃料組件破損檢測的方法，并為提升乏燃料組件破損檢測的自動化和數字化水平提出合理化建議。

［關鍵詞］乏燃料組件；破損檢測；自動化；方法建議

［中圖分類號］TL352 ；TM623 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0134–03

乏燃料組件是核電廠運行過程中的重要產物，其中含有各種放射性核素。燃料棒包殼作為包裹放射性核素的關鍵屏障，其完整性對于防止放射性物質的泄漏至關重要。為了處理核電廠積累的乏燃料，需要將檢測完好的乏燃料組件裝入乏燃料運輸容器內并轉運至后處理廠中進行處理，需要特別注意其在裝卸和運輸過程中可能遭受的損壞，如腐蝕、沖擊、擦掛和振動等，這些因素可能導致燃料棒的破損[1]。

后處理廠對接收的高燃耗組件采用混合處理法，冷卻時間≥ 5 a 的乏燃料組件先轉運至水池貯存，待滿足時間后可進行后處理；冷卻時間≥ 8 a 的乏燃料組件可直接進行后處理。乏燃料運輸容器內若存在破損燃料組件，解除密封后，會釋放大量的放射性裂變產物，污染乏燃料貯存水池的冷卻水。因此，在運抵目的地后，必須檢測運輸容器內是否存在破損的燃料組件，確保進入貯存水池的乏燃料組件完整無損。目前國內后處理廠并沒有設置專門的破損組件檢測裝置，因此文章通過分析各種燃料組件破損檢測方法的原理和應用情況，提出適用于后處理廠乏燃料組件破損檢測的方案。

1 國內乏燃料組件破損檢測方法

為保證反應堆安全運行，壓水堆內進行的燃料組件檢測包括：反應堆運行過程中冷卻劑回路取樣檢測（及時察覺堆內燃料破損）；卸料過程中在線（裝卸料機套筒內）快速定性啜吸檢測（鑒別破損燃料組件）；卸料后的乏燃料外形檢測；燃料貯存水池邊定量啜吸檢測；鑒別破損燃料件中破損棒的超聲檢測；確定破損燃料棒具體破損位置的渦流檢測，最后將破損棒修補好復用[2]。

因為燃料組件外觀檢查主要針對核燃料組件結構破損或出現較大損傷時的狀況，渦流檢測可確定破損燃料棒的破損位置及大小，但需拆解核燃料組件，這在后處理廠的實際應用中顯然并不可行。因此離線啜吸法和超聲檢測法更能滿足后處理廠的使用需求，這兩種方法各有特點，文章對它們進行詳細的比較和分析。

2 乏燃料組件破損檢測設備及原理

235U 核燃料在中子轟擊下發生鏈式裂變反應，會釋放大量的裂變產物。與其他裂變產物相比，裂變氣體85Kr、133Xe 化學性質穩定，不易損耗，且最容易釋放到充滿氦氣的運輸容器內，更容易被檢測到。85Kr 和133Xe 的半衰期分別為10.73 a 和5.25 d，133Xe衰變過程中有一個81 keV 的γ 能量峰，85Kr 進行β衰變時會放出514 eV 的特征γ 射線，因此在乏燃料組件剛從反應堆卸出時，133Xe 可作為識別破損燃料組件的被檢測特征核素，對于已經在水池中貯存超過5 a 的乏燃料組件，85Kr 作為破損標志核素最為合適。

2.1 加熱式離線啜吸系統

加熱式離線啜吸系統主要由底板和托架、啜吸室、控制和測量組件、流體系統等部分組成。在檢測過程中，先將待檢測的燃料組件封閉在啜吸室內，隨后，啜吸室內的水溫快速上升并保持穩定。如果燃料棒存在破損，那么在啜吸室內的水中會出現經破損處泄漏出的帶有裂變產物的液相或氣相物質的釋放。這些氣態裂變物會被在閉合回路中的氣流所收集，并通過NaI 閃爍體實現對γ 射線的探測。隨著啜吸室內水溫的上升，回路中累積的裂變產物釋放率開始上升，直至達到一個最大值。隨后，由于溫度的穩定化，釋放率也趨于穩定，氣流的活度同樣穩定下來，這一穩定化時間的長短直接取決于破損的大小。環境中放射性活度變化速率與組件破損程度密切相關，因此通過檢測環境中放射性活度的變化，并通過必要的判定程序即可定量檢測組件的破損程度[4]。

2.2 真空式離線啜吸系統

真空式離線啜吸系統主要由控制柜、目標核素檢測單元、水置換單元、水下隔離密封裝置、水下攝像頭組成[5]。為確保檢測結果的準確性，系統會先進行檢測回路的清洗，確保回路中的放射性降低到最低本底放射性指標以下，從而避免了對后續檢測結果的干擾。然后利用組件裝卸吊車將組件吊入啜吸筒中，并對組件進行清洗。完成水置換過程后對啜吸筒抽真空，通過目標核素檢測單元進行放射性檢測。對檢測結果進行分析可以判斷燃料組件是否破損，同時根據定量分析理論模型可以計算出燃料組件破口當量值[6]。

該系統采用復合探測器對85Kr 和133Xe 兩種核素進行探測，實現不同時間出堆的燃料組件的破損檢測。通過采用雙啜吸筒交替檢測，大幅縮短了燃料組件檢測時間。此外，該系統對氣體經過微小破口的機理進行了研究，建立了泄漏當量定量分析模型。最后，考慮到系統的存放和使用區域，該系統采用模塊化設計和非固定式安裝，在大修時，系統可以布置在乏燃料貯存廠房，平常則貯存于維修車間，使得系統的維護和升級更加便捷。

2.3 超聲檢測系統

超聲檢測系統主要由掃查裝置、伺服控制系統、視頻監控系統等組成。超聲檢測系統通過專門的超聲探頭，緩慢插入燃料組件中各行燃料棒之間的空隙，超聲檢測時，探頭發出的聲波沿管壁傳播，傳播過程中板波能量不斷衰減，根據衰減情況便可判斷燃料棒內側是否存在冷卻劑。若燃料棒內部不含冷卻劑，板波在傳播過程中能量衰減較小；若燃料棒內部含有冷卻劑，板波在傳播過程中能量衰減很大；將板波繞破損燃料棒衰減后的波幅與繞完好燃料棒衰減后的波幅進行對比，即可判斷燃料棒是否存在破損[7]。

超聲檢測作為一種非破壞性的檢測方法，其優點體現在對燃料組件的無損檢測上，以及其具有高效的檢測速度和精確的定位能力，常與燃料棒修復裝置配合使用，以保證破損的燃料棒能夠得到及時修復和更換。然而，超聲檢測也面臨著一些限制和挑戰，如超聲檢測的結果可能會受組件外表面附著物等因素干擾，導致誤判。此外，為了進一步提高超聲檢測的準確性和可靠性，需要操作人員選擇合適的探頭[8] 和參數，定期維護和校準設備。

3 3種檢測方案比較

3 種檢測方案比較見表1。

4 后處理廠乏燃料組件破損檢測方法分析

盡管離線啜吸系統和超聲檢測系統都能有效檢測出破損組件，但在后處理廠的特定環境中，還需要考慮以下因素。

（1）由于乏燃料組件的轉運技術較成熟，后處理廠出現組件破損的概率較低，需要進行破損檢測的組件很少，檢測要求并不高。因此，雖然超聲檢測系統能夠快速定位燃料棒破損位置，但放在后處理廠的實際應用中考慮，優勢不大；同時由于后處理廠中乏燃料組件后續要進行剪切溶解，對破口當量分析和定位燃料棒破損位置快速檢測的必要性相對較小。

（2）基于后處理廠的運行需求，設備需要兼具準確、高效、易維護、易操作等特性。真空式離線啜吸系統能夠定性分析組件是否破損，檢測結果較準確，且采用模塊化設計、移動式安裝，操作和維護較方便。

（3）考慮到未來數字化后處理廠的運維需求，設備需要具備自動化操作、遠程監視控制、設備自診斷等智能化功能。這要求在選擇設備時，不僅要考慮其檢測性能和經濟性，還要重點關注其智能化水平。

綜上所述，對于后處理廠乏燃料組件破損檢測方法的選擇，文章更傾向于選擇真空式離線啜吸系統。

5 結果

后處理廠乏燃料組件破損檢測流程如圖1 所示。

在乏燃料組件破損檢測環節中實現智能化控制和管理的步驟如下。

（1）在乏燃料組件運輸容器轉運階段，智能化的控制主要體現在對轉運容器的自動化操作和監控上。乏燃料組件從核電廠經轉運容器運輸到后處理廠，在卸料之前，需要先將容器轉入準備間，安裝專用防水保護罩，將供水管線與防水保護罩及容器內腔相連，冷卻被容器保護罩覆蓋的外部，以及冷卻和沖洗容器內腔里的燃料元件，并排出容器內部的氣體，通過在線γ 檢測儀分析容器里的氣體（氪檢測），發現疑似破損組件。

（2）發現疑似破損組件后，采用真空啜吸系統逐組進行檢測，找出破損組件，并存放于專門的破損組件貯存區域。在這一過程中，通過智能化的控制系統實現所有組件的自動檢測，包括組件的定位、吊運、密封、清洗及氣體的取樣、分析等環節，從而大幅提高檢測效率和準確性。此外，將檢測結果送到中央控制室，實現遠程監視和控制。

（3）在破損組件的管理方面，通過開發專用的破損組件管理軟件，可以實現對破損組件的實時追蹤和監控，確保其在整個處理過程中的安全性和可追溯性。同時，對于滿足剪切條件的破損組件，通過智能化的調度系統優先送往首端設施進行剪切。

6 結束語

文章通過對不同燃料組件破損檢測方法的對比分析，以及結合后處理廠乏燃料組件破損檢測的特點，提出了“容器氣體測量+ 逐組真空啜吸”的后處理廠乏燃料組件破損檢測方法，旨在實現后處理大廠對破損組件的實時監控和追蹤，提高后處理廠水池運行過程中的安全性和穩定性。

參考文獻

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