谷明非，黃大貴，曾 勇，江 山，簡 明

(1.電子科技大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，四川 成都 611731；2.成都中核海川核技術(shù)有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

燃料組件是核反應(yīng)堆的核心，在高溫、高壓和高輻射條件下長時(shí)間運(yùn)行，且在運(yùn)行過程中會(huì)受到水沖、振動(dòng)、輻照、發(fā)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(yùn)行過程中產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物。一旦燃料棒損壞，放射性裂變產(chǎn)物會(huì)釋放到反應(yīng)堆主回路，導(dǎo)致冷卻劑放射性增加。因此，燃料棒的完整性和嚴(yán)密性對核反應(yīng)堆的安全運(yùn)行至關(guān)重要[1-3]。目前，雖然燃料組件在設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行方面都達(dá)到了很高的水平，但很難保證燃料組件在整個(gè)循環(huán)過程中完全不被損壞。據(jù)法國阿?，m公司對2007年至2014年運(yùn)行的燃料組件的統(tǒng)計(jì)，燃料棒的破損率一般為1.3×10-5。盡管反應(yīng)堆運(yùn)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(kuò)展和蔓延，可能會(huì)嚴(yán)重影響反應(yīng)堆的安全性和環(huán)境安全；同時(shí)，增加人員的受照射劑量，可能導(dǎo)致降低反應(yīng)堆運(yùn)行功率，甚至關(guān)閉核反應(yīng)堆。因此，加強(qiáng)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(nèi)核電站普遍采用以單片機(jī)為處理核心的在線啜吸檢查設(shè)備，存在顯示內(nèi)容少、功能有限、數(shù)據(jù)處理困難、檢測靈敏度低等缺點(diǎn)。國內(nèi)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(shè)備的性能開展了研究。

本文以燃料組件裂變產(chǎn)物釋放理論為基礎(chǔ)，基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開展了破損燃料組件在線檢測與評估技術(shù)的研究。研究結(jié)果表明，本文研制的在線啜吸檢測裝置將傳統(tǒng)核探測技術(shù)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)格架夾緊，以保持彼此之間的橫向間隙。燃料組件結(jié)構(gòu)[7]如圖1所示。

圖1 燃料組件結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 燃料組件產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物

235U核燃料在中子轟擊下發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)。該反應(yīng)在釋放能量的同時(shí)，也會(huì)釋放大量的裂變產(chǎn)物。裂變過程如下:

(1)

式中：n為中子；Y為裂變產(chǎn)物；X為產(chǎn)生的中子數(shù)量；ΔE為釋放的能量。

裂變產(chǎn)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(xué)性質(zhì)不活潑，在燃料組件損壞時(shí)會(huì)較容易釋放到環(huán)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(fā)性強(qiáng)，易與水反應(yīng)。

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

⑤稀土和錒系元素。這兩組元素不易揮發(fā)。

因此，易于泄漏擴(kuò)散到環(huán)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(chǎn)物被密封包容在燃料棒內(nèi)，與外界隔離。如果燃料棒發(fā)生破損，這些裂變產(chǎn)物就會(huì)從破口處泄漏出來，進(jìn)入反應(yīng)堆回路或環(huán)境中。如果在反應(yīng)堆回路或環(huán)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(xiàn)了破損。133Xe和85Kr為惰性氣態(tài)放射性同位素，便于被采集和探測，且133Xe衰變過程中有一個(gè)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(fā)生β衰變時(shí)會(huì)伴隨產(chǎn)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(tài)的γ射線份額占比較小，可以忽略不計(jì)。

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(tǒng)安裝在反應(yīng)堆換料機(jī)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(jià)。根據(jù)核電站檢測要求，在線啜吸檢測時(shí)間一般不超過5 min。

在反應(yīng)堆的卸料過程中，換料機(jī)從反應(yīng)堆堆芯中抓取燃料組件并將其向上提升取出堆芯。當(dāng)燃料組件上升到換料機(jī)固定套位置時(shí)，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(nèi)部壓力會(huì)導(dǎo)致133Xe等裂變氣體從破口處泄漏出來。換料機(jī)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(jī)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(tǒng)測量氣體的放射性。當(dāng)燃料組件破損時(shí)，燃料組件的裂變產(chǎn)物主要是氣態(tài)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(fā)生了破損。

在線啜吸檢測系統(tǒng)原理如圖2所示。

2.2 燃料組件破損判斷標(biāo)準(zhǔn)

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

(2)

式中:R0為本底計(jì)數(shù)率，即10組未破損燃料組件的本底平均實(shí)測值;R1為133Xe計(jì)數(shù)率。

如果f<1.3，則認(rèn)為是正常無破損的燃料組件。如果f≥3，則認(rèn)為是破損燃料組件。如果f為1.3～3，則認(rèn)為是疑似有破損的燃料組件，應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的分析和測試。

3 在線啜吸檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在線啜吸檢測系統(tǒng)包括機(jī)械系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)兩大部分。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下。

①γ射線的測量靈敏度。

將源強(qiáng)為3.7×105Bq的133Ba標(biāo)準(zhǔn)γ源放在測量位置時(shí)，133Ba的81 keV的γ峰面積計(jì)數(shù)率大于1 000 cps(cps表示再秒采集到的信息數(shù))，全能峰面積計(jì)數(shù)率大于6 000 c/s。后兩者應(yīng)需進(jìn)一步通過離線啜吸系統(tǒng)或超聲檢測判定其是否破損及破損程度。

②系統(tǒng)的能量分辨率≤ 9%(137Cs)。

③系統(tǒng)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(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)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(tǒng)控制柜如圖3所示。控制柜的上部空間由觸摸屏、工控機(jī)、低壓電源、線性運(yùn)算放大器和運(yùn)動(dòng)允許指示器組成?？刂乒竦南虏靠臻g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(tǒng)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(jìn)測量室，通過測量室內(nèi)的伽馬探測器進(jìn)行檢測。為了減少環(huán)境本底對測量的影響，控制柜采用屏蔽容器對環(huán)境劑量進(jìn)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(nèi)的超限壓力損壞，在回路中設(shè)置了安全閥。

測量室安裝在屏蔽容器內(nèi)。屏蔽容器由三層介質(zhì)組成:外套采用不銹鋼制成；套內(nèi)充鉛；內(nèi)壁嵌有襯板里，以減少軔致輻射效應(yīng)。屏蔽容器整體采用三級結(jié)構(gòu)，便于拆裝，以及內(nèi)部部件的安裝和維護(hù)。屏蔽容器的底部預(yù)留有放置放射性標(biāo)準(zhǔn)源的抽屜，上部有探測器導(dǎo)絲管。測量室結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 測量室結(jié)構(gòu)圖

3.2 計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件采用vc++ 6.0開發(fā)，操作環(huán)境為Windows7操作系統(tǒng)。為了滿足應(yīng)用的需求，考慮到安全性和可維護(hù)性等方面，軟件設(shè)計(jì)基于功能模塊化的原則，將系統(tǒng)分為多個(gè)功能模塊進(jìn)行開發(fā)。計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互界面功能模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)值計(jì)算與分析判斷模塊、數(shù)據(jù)庫與報(bào)表輸出模塊。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)調(diào)用硬件的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用程序接口(application program interface，API)函數(shù)，實(shí)時(shí)獲取γ能譜積累信息，并通過計(jì)算模塊計(jì)算出特征峰感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)的當(dāng)前計(jì)數(shù)率。數(shù)值計(jì)算與分析判斷模塊對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和分析。如果計(jì)算結(jié)果超過了技術(shù)要求限值，該模塊就判斷為燃料組件出現(xiàn)了破損，同時(shí)會(huì)發(fā)送報(bào)警信息，提醒現(xiàn)場操作人員盡快響應(yīng)。軟件流程如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

數(shù)據(jù)庫和報(bào)表輸出模塊實(shí)時(shí)存儲采樣數(shù)據(jù)值，生成磁盤記錄，供離線查看和打印報(bào)表。人機(jī)交互界面提供友好的輸入窗口，直觀地顯示當(dāng)前的測量狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)，并提供手動(dòng)干預(yù)測量過程的控制界面。人機(jī)交互界面主要由標(biāo)題欄、菜單欄、信息欄、圖形欄和輔助欄組成。

3.3 與核電站現(xiàn)役在線啜吸系統(tǒng)的比較

本文設(shè)計(jì)的在線啜吸檢測系統(tǒng)，相比目前核電站現(xiàn)役在線啜吸系統(tǒng)具有較強(qiáng)優(yōu)勢。

在線啜吸檢測系統(tǒng)性能對比如表1所示。

表1 在線啜吸檢測系統(tǒng)性能對比表

4 在線啜吸系統(tǒng)校準(zhǔn)

4.1 啜吸模擬試驗(yàn)及標(biāo)定

在線啜吸在每次開始測量之前，需要使用標(biāo)準(zhǔn)放射源對其進(jìn)行模擬試驗(yàn)及標(biāo)定。測量γ活度時(shí)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(biāo)準(zhǔn)源對γ活度測量系統(tǒng)進(jìn)行檢查，滿足技術(shù)要求后才能開始檢測工作。因133Xe 存在一個(gè)81 keV的能量峰，而133Ba 也有一個(gè)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(yàn)放射源及標(biāo)定源。133Ba放射源標(biāo)定測量曲線如圖7所示。

圖7 133Ba放射源標(biāo)定測量曲線

試驗(yàn)步驟如下。

①開機(jī)自檢測試合格后，需要對核數(shù)據(jù)單元進(jìn)行檢查。

②將標(biāo)定源放入測量位置，開始一次測量。到達(dá)測量預(yù)設(shè)時(shí)間后，檢查當(dāng)前能譜曲線中是否有標(biāo)定源的特征峰曲線，以及計(jì)數(shù)率值是否超過本底10倍以上。如能譜曲線出現(xiàn)81 keV 的能量峰，則證明系統(tǒng)正常，能夠識別。

4.2 在線啜吸系統(tǒng)應(yīng)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(shù)字式破損燃料組件在線啜吸檢測設(shè)備，對國內(nèi)某核電站進(jìn)行了反應(yīng)堆全堆芯157組燃料組件在線啜吸檢測，發(fā)現(xiàn)其中有1組燃料組件出現(xiàn)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(jié)論

本文針對核電站燃料組件在線破損泄漏檢測的需求，進(jìn)行了放射性裂變氣體特性及檢測技術(shù)研究，并開展了數(shù)字式破損燃料組件在線啜吸檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，采用基于啜吸技術(shù)測量133Xe裂變氣體的γ能譜，并結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)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(shí)，由于133Xe半衰期較短，其作為檢測核素時(shí)，應(yīng)在反應(yīng)堆停堆后盡快進(jìn)行在線啜吸檢測，建議不宜超過15 d。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字式破損燃料組件在線啜吸檢測系統(tǒng)采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，人機(jī)界面友好，數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)的性能優(yōu)于目前核電站常用的傳統(tǒng)在線啜吸系統(tǒng)。