提高燃料制造可靠性方法研究

摘 要：本研究通過對國內外因制造因素導致燃料破損案例的跟蹤，對燃料組件制造環節可能導致堆內燃料破損的環節開展了工藝優化和管理措施，主要包括制造過程中異物控制、焊接工藝控制、拉棒工藝改進、堵孔夾鎢檢測等工藝優化和管理改進，提升了燃料制造質量，實現了燃料組件無制造原因導致破損的目標。

關鍵詞：燃料破損，經濟性，工藝優化，管理改進

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.22.029

自1990年我國首臺核電機組投運以來，核燃料組件破損的情況時有發生。一旦燃料組件破損，將對機組的安全性、經濟性、機組運行控制、卸料檢修產生較大影響，有時甚至會導致輿情事件[1-2]。根據國際原子能機構（IAEA）的統計，燃料破損原因主要包括運行、設計和制造等。為了更好地向核電站提供安全可靠的核燃料，共同實現燃料“零破損”目標，燃料制造廠有必要針對制造環節可能導致的燃料破損采取針對性工藝和管理改進，持續提升燃料的可靠性。

1 制造導致燃料破損經驗反饋

根據統計，從2013年以來，國內40余燃料循環出現燃料破損的情況。已經查明的破損主要原因有：工程異物導致的破損12組，占比約30%；由堵孔焊點缺陷導致破損組件2組，占比約5%；疑似鋯屑導致破損2組，占比約5%。另有20余組燃料組件未拔棒檢查。

根據IAEA水冷堆燃料破損文獻[3-4]以及國內破損燃料棒池邊檢查和熱室檢查的實際情況，制造因素導致的燃料破損機理見表1。

1.1 振動引起的包殼磨損

燃料棒在組件中通過彈簧和剛凸進行夾持定位。然而，當剛凸或彈簧發生變形時，燃料棒無法按照原設計得到合理的夾持，在堆內水流沖擊下導致剛凸或彈簧處的振動磨蝕損傷（見圖1）。

1.2 鋯屑磨損

在燃料棒拉入燃料組件骨架過程中，燃料棒在剛凸彈簧夾持作用下，以及疊加燃料棒與格架柵元對中性偏差等因素影響，會產生鋯屑（絲）。國外分析認為較大的鋯屑會導致燃料棒上出現一些非常小的貫穿性裂紋，如圖2所示。

1.3 堵孔焊點失效

國內外發現的堵孔焊點失效情況主要分為兩種類型：一種為堵孔焊點部分缺失，如圖3所示；另一類型為堵孔焊點完整，熱室檢查發現堵孔焊點部分沾有微量鎢元素，導致貫穿性破口。

此外，國外文獻還報道了另一些導致燃料包殼破損的案例。其中，一種是由于燃料內部裝入含氫物質，運行時棒內氫與鋯反應生成氫化鋯，從而引發一次氫化破損。另一種是由于燃料芯塊缺失，導致燃料芯塊與包殼管內部表面發生相互作用，從而引發燃料包殼管破損。

2 工藝和管理改進

核燃料制造廠根據堆內運行經驗反饋，分析燃料制造環節可能導致燃料破損風險，采取了工藝改進及管理優化措施。這些措施主要集中在拉棒工藝、端塞密封點焊、芯塊表面檢查、焊接后的空管保存等關鍵環節，采取工藝、檢驗及管理措施。

2.1 避免格架損傷的拉棒工藝優化

目前，國內核燃料制造廠已經提供了超過2. 5萬組核燃料組件，格架制造和檢驗能力得到了驗證，尚未發現格架制造原因導致的剛凸、彈簧損傷。因此，格架剛凸和彈簧損傷最可能的環節是燃料組件組裝環節。

經分析，燃料組件組裝時，如果拉桿進入第一層格架柵元時未正確安裝導向帽，或者燃料組件返修卸棒時，如果燃料棒不正確地拉出燃料組件，均有可能導致下端部格架柵元損傷變形，嚴重者可能導致剛凸開裂。

為此，制造廠采取了如下工藝管控措施：

（1）燃料組件返修卸棒，用專用拉桿從燃料組件中拉出燃料棒時，在燃料棒上端塞拉出下端部格架前，必須采用人工緩慢拉出燃料棒，禁止采用機器直接拉出燃料棒，避免因拉桿與格架柵元中心不對中等原因導致拉傷格架柵元。

（2）卸掉燃料棒后，必須在光源輔助下檢查下端部格架對應柵元的剛凸、彈簧狀況，必要時對變形的剛凸彈簧進行修復處理。

2.2 減少鋯屑的拉棒工藝優化

經分析，產生鋯屑的主要環節在燃料組件組裝拉棒時。為此，制造廠采用在燃料棒表面產生水膜的水潤滑工藝。通過該工藝，改善了鋯屑的形態，使得拉棒后的鋯屑較未采用水潤滑工藝的鋯屑更小。為進一步減少鋯屑，避免燃料組件上鋯屑帶入反應堆堆芯，燃料制造廠采取如下優化措施：

（1）拉棒平臺定期進行對中性檢測。采用激光對中儀對拉棒機拉棒平臺、預裝平臺和組裝平臺定期進行對中性檢測，確保拉棒設備的對中性滿足要求。

（2）優化水潤滑工藝，調整毛刷軟硬度和疏密度以及旋轉速度，使水更多附著在燃料棒上，改善拉棒效果；同時進行拉棒速度優化試驗，減少了鋯屑的產生。

（3）在水潤滑拉棒過程中，增加人員清理鋯屑的步驟。每拉棒一層后，由專人對該層棒產生的鋯屑進行清理。對于較大的鋯屑，利用鑷子等工具進行去除。同時，利用小型吹掃設備對附著在燃料棒上的小鋯屑進行吹掃，確保拉棒過程中產生的異常鋯屑能夠得到清除。

（4）清洗燃料組件將壓空噴吹去屑改為帶有一定壓力的“去離子水與壓空”結合的氣水噴吹去屑方式，可以有效去除水潤滑拉棒工藝的組件鋯屑。

通過上述管控措施，燃料制造廠在電站現場交付檢查時基本實現了交付零鋯屑。

2.3 焊接工藝優化

2.3.1 焊接方式替代

燃料廠目前同時具備壓力電阻焊和惰性氣體保護電弧焊（TIG）兩種端塞焊接方式。壓力電阻焊集燃料棒抽真空、充氦氣、端塞壓入和焊接等功能為一體，其焊接質量穩定且不存在鎢絲與母材接觸，可靠性相對高。TIG 焊接工藝包括：上端塞鉆孔、上端塞環縫焊接、抽真空、充氦氣、上端塞堵孔焊，相對于壓力電阻焊增加了堵孔焊工序，存在堵孔焊點鈾沾污及焊極鎢絲微量鎢沾污的風險。因此在燃料棒焊接中，盡可能使用壓力電阻焊，可以有效減少堵孔焊風險。

2.3.2 堵孔焊接工藝優化

首先，鑒于TIG堵孔在一次堵孔不合格后，上端塞小孔部分變形，二次抽真空可能導致UO2粉末沉淀在小孔處導致焊點鈾沾污。在接獲電站的經驗反饋后，燃料廠立即取消了堵孔焊點檢查不合格直接焊接的返修工藝，將堵孔焊點異常的燃料棒切掉端塞返修或報廢，不再采用二次堵孔焊接工藝。后續電站未反饋有類似原因導致的破損。

針對焊縫中夾雜鎢元素的問題，分析認為是TIG焊接過程中鎢極異常接觸焊點，導致部分鎢融合在焊點中。為根除此現象，燃料廠采取了以下措施：

（1）首先規范鎢極的使用，建立了鎢極采購、領用、打磨、使用管理制度，盡可能使用相同狀態的鎢極進行焊接，避免因鎢極形狀不規則導致的沾鎢現象；

（2）燃料棒環縫焊接或堵孔點焊過程中發生異常起弧現象，可能也會導致焊點沾鎢。為此，增加了焊接參數實時記錄監控系統，定期檢查是否存在焊接引弧中斷并再次引弧焊接情況，對這類燃料棒一律進行切除端塞返修或者報廢處理；

（3）對TIG焊機增加了極間距監控和焊接電流參數跟蹤監控，進一步提高了焊接可靠性；

（4）完善堵孔焊檢驗方式。由于X射線焊點檢查無法確定是否沾鎢，增加了X射線熒光檢測設備，對堵孔焊點進行100%鎢沾污檢測，從根本上杜絕了異常沾鎢燃料棒流入燃料組件。

2.4 芯塊外觀檢測優化

芯塊裝管前，需要剔除出帶缺陷的芯塊，否則可能會導致燃料棒在堆內運行時出現燃料芯塊與燃料包殼相互作用導致燃料破損。為了解決此問題，制造廠采取了一系列管理措施。

首先，燃料芯塊制造完成后，先通過流水線上自動化檢查設備進行芯塊外觀尺寸檢查，自動篩選出外觀或尺寸存在明顯偏差的芯塊并自動剔除，但是這種檢查并不能將所有存在外觀缺陷的芯塊有效識別并予以剔除。在燃料芯塊完成全部生產工藝后，由檢驗人員對芯塊的外觀進行裂紋、外觀完整性目視檢查，但目視檢查易受到檢查時間、檢查角度、缺陷位置、檢查人員經驗不足等限制。為提高檢查的可靠性，制造廠采取了以下措施：

（1）使用燃料芯塊外觀自動檢測裝置，代替人工目視檢查，提高了芯塊檢驗的可靠性；

（2）加強人員培訓，提高芯塊外觀檢查人員技能水平，固化檢查順序，確保芯塊外觀檢查的有效性；

（3）在芯塊裝管環節，增加芯塊進入燃料棒前的工序自檢，以確保進入燃料棒的芯塊完整。

2.5 避免一次氫化的管理措施

燃料棒中異常裝入含氫有機物時，會導致燃料組件一次氫化破損，制造廠采取了如下工藝管控來避免裝入異物。

（1）焊接完下端塞的空管（尚未裝入燃料芯塊）隔夜保存時放入密封柜內保存，避免南方蟑螂等活體有機物異常進入；

（2）裝管前，再次檢查芯塊表面沾污情況，防止異常沾污的芯塊進入包殼內部。

3 效 果

2013年至2020年，中核建中核燃料元件有限公司供料的機組時有燃料破損，在采取拉棒工藝優化、焊接管控等綜合措施后，以及電站同行加強堆芯防異物管控等努力下，從2020年至今，已經連續數年實現了所供燃料組件堆內運行零破損，達到了預期的效果。

4 結 論

通過對制造環節導致破損原因的深入分析，提出了一系列的工藝及管理優化措施，這些措施有效地提高了燃料制造質量可靠性，結論如下：

（1）通過實施拉棒控制，能夠有效地避免格架柵元的損傷；

（2）通過采用水潤滑拉棒、拉棒對中性檢查、拉棒過程中檢查并剔除鋯屑、清洗工藝改進等措施，能有效控制并去除鋯屑；

（3）通過芯塊自動檢測，避免表面缺失芯塊進入燃料棒，減少燃料破損風險；

（4）通過空管保存管理及裝管前檢查，能有效避免一次氫化導致的燃料破損。

參考文獻

[1]馮杰，蔡光明，耿飛，等.破損燃料組件修復經濟性分析[J].中國核電增刊1，2019（5）：161-163.

[1]付鵬濤，章安龍，辜培勇.壓水堆核電廠燃料棒破損診斷分析研究[J].強激光與粒子束，2024，36（3）：162-169.

[2]水冷堆燃料破損綜述（IAEA 第NF-T-2.1號）[Z].2010.

[4]水冷堆燃料破損審查（2006—2015年）（IAEA 第NF-T-2.5號）[Z].2021.

作者簡介

何君，高級工程師，研究方向為核燃料組件及相關組件制造工藝。

（責任編輯：張瑞洋）