黃 帆 朱浙楠 曹 暉 于文昕 蒙笑緣

（中核建中核燃料元件有限公司 宜賓 644000）

燃料棒在燃料芯塊和包殼之間需充有純度優(yōu)于99.99%的氦氣，壓力約為2MPa［1-2］。預(yù)填充的氦氣壓力在反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)能夠?qū)θ剂习舭鼩さ耐暾赃M(jìn)行保護(hù)，氦氣泄漏則會(huì)影響反應(yīng)堆的安全運(yùn)行［3-7］。因此，檢測(cè)燃料棒內(nèi)氦氣壓力是否在正常范圍是燃料棒檢驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)［8-11］。破壞性穿刺測(cè)量氦氣壓力的方式會(huì)破壞燃料棒，且效率低下、無法對(duì)所有燃料棒進(jìn)行測(cè)量。俞冀陽等［12］利用RODTRAN 程序發(fā)現(xiàn)，包殼表面升溫速率可以推算燃料棒內(nèi)的氦氣壓力，為測(cè)量儀器的設(shè)計(jì)提供數(shù)值模擬基礎(chǔ)；Maximkin 等［13］基于燃料元件中氦氣壓力的增加導(dǎo)致燃料芯塊和包殼之間的聲學(xué)匹配的變化，利用超聲波技術(shù)測(cè)量氦壓。搭建了燃料棒模擬器用于驗(yàn)證，還需進(jìn)一步驗(yàn)證所有系統(tǒng)的適配性。中核建中核燃料元件有限公司已購得氦壓無損檢測(cè)設(shè)備，該設(shè)備以傳熱法為原理對(duì)氦壓進(jìn)行測(cè)量，在國內(nèi)尚未有單位使用該設(shè)備，故需對(duì)其測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，本文通過多個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并將設(shè)備與傳統(tǒng)穿刺測(cè)量法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了燃料棒氦壓無損檢測(cè)方法的可行性與穩(wěn)定性。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方案

1.1 氦壓檢測(cè)方法

本次研究采用兩種不同的氦壓檢測(cè)方法，即有損的穿刺測(cè)壓法和無損的傳熱法。

1.1.1 穿刺測(cè)壓法

穿刺測(cè)壓法的核心部分如圖1所示。壓力檢測(cè)室內(nèi)為空腔結(jié)構(gòu)，空腔體積除去燃料棒、壓力測(cè)量儀、打孔裝置及其他占有空間的部分，大小為V0。燃料棒內(nèi)部空間除去芯塊、彈簧等部件的剩余體積為V。測(cè)量時(shí)，將燃料棒的上端部插入壓力檢測(cè)室并密封，確認(rèn)密封性良好且壓力測(cè)量儀示數(shù)已清零后，在圖中箭頭處大致位置（檢測(cè)室內(nèi)）用打孔裝置鉆孔，使燃料棒內(nèi)充入的氦氣釋放到檢測(cè)室。鉆孔一段時(shí)間后（待壓力值穩(wěn)定），讀取壓力測(cè)量儀上的壓力讀數(shù)P0。記錄此時(shí)的環(huán)境溫度T0，根據(jù)式（1）［6］即可計(jì)算20℃時(shí)料棒內(nèi)的氦氣絕對(duì)壓力。

圖1 穿刺測(cè)壓法原理示意圖Fig.1 Principle diagram of puncture manometry method

式中：k為穿刺前后壓力的比例系數(shù)，取決于檢測(cè)裝置和燃料棒設(shè)計(jì)，一般由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證取得。在當(dāng)前燃料棒檢測(cè)中，k取1.238；293、273 單位為K。計(jì)算得到的合格棒的氦壓應(yīng)在1.8～2.3MPa內(nèi)，而此處算得的氦壓為相對(duì)壓力。

1.1.2 傳熱法（無損檢測(cè)）

燃料棒氦壓無損檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)原理是傳熱法。如圖2所示，右方的燃料棒插入左方的測(cè)壓探頭至最深處并密封。A 處繞有電感，測(cè)溫開始時(shí)通高頻電流，使燃料棒被電感纏繞的部分發(fā)熱，繼而向右發(fā)生熱擴(kuò)散。在B處距離電感長度不同的兩個(gè)位置各設(shè)置了熱電偶測(cè)量包殼管表面溫度。由于熱擴(kuò)散，兩個(gè)熱電偶測(cè)得的溫度存在溫度差，除掉包殼管、芯塊、端塞對(duì)傳熱的貢獻(xiàn)后，溫度差主要由氦氣的熱對(duì)流導(dǎo)致，其大小與氦氣密度成正比，即與氦氣壓力呈正相關(guān)。

圖2 傳熱法測(cè)氦壓示意圖Fig.2 Diagram of helium pressure measurement using the heat transfer method

實(shí)際設(shè)備為了提升測(cè)量結(jié)果的精確性，兩個(gè)熱電偶被集成到采集卡NI6281的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter，ADC）電橋中，并測(cè)量升溫、降溫兩條曲線，而每條曲線分別又在0℃和180℃兩處取值，因此，可得到兩組溫度之差和溫度之和的數(shù)據(jù)。利用式（2）［14］可以得出溫度之差及溫度之和所引起電阻的變化在經(jīng)過采集卡處理后輸出的模擬信號(hào)的值DU為：

式中：Ex和kv為采集卡獲取的中間變量，分別反映兩個(gè)熱電偶的溫度之差和溫度之和；κ是修正系數(shù)，一般取1。模擬信號(hào)DU與25℃下的燃料棒氦氣壓力P滿足如下關(guān)系：

式（3）［14］中DU1max、DU1min和P0是三個(gè)未定常量，測(cè)量3 支已知氦壓而互不相同的標(biāo)準(zhǔn)棒并代入式（3）聯(lián)立方程，即可得到這三個(gè)常量的解，從而用于燃料棒氦壓值的測(cè)量，測(cè)量值采用相對(duì)壓力，與穿刺法比較時(shí)，進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

穿刺測(cè)壓法使用氦壓裝置C0550，主體結(jié)構(gòu)為具備壓力測(cè)量儀、鉆孔裝置、內(nèi)部為空腔的壓力檢測(cè)室，其余結(jié)構(gòu)用于支撐檢測(cè)室和被測(cè)燃料棒。壓力測(cè)量儀的測(cè)量范圍為1～4MPa，測(cè)量偏差≤0.06MPa。

氦壓無損檢測(cè)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中可見左下方的測(cè)量頭和右方的配套工控機(jī)，兩者即為設(shè)備的主體部分；附屬結(jié)構(gòu)包含料架、傳感器、壓空系統(tǒng)、電力開關(guān)等。設(shè)備運(yùn)行要求環(huán)境溫度為10～40℃，氦壓測(cè)量范圍為0.98～2.45MPa，測(cè)量偏差≤0.05MPa。

圖3 燃料棒氦壓無損檢測(cè)設(shè)備實(shí)物圖Fig.3 Snapshot of non-destructive testing equipment for measurement of helium pressure inside fuel rod

圖4 標(biāo)準(zhǔn)棒結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural diagram of a standard rod

1.3實(shí)驗(yàn)方案

1.3.1 無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)棒

根據(jù)要求，制作了3 種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)棒（外形結(jié)構(gòu)、尺寸相同，但充入氦氣壓力值不同），其氦壓值分別為0.98MPa、1.76MPa和2.45MPa，上述三種標(biāo)準(zhǔn)棒檢定值的偏差≤0.01MPa。

具體流程為：分別取0.98MPa、1.76MPa 和2.45MPa 三種標(biāo)準(zhǔn)棒，表面用酒精或丙酮清潔后按固定的時(shí)間間隔使用氦壓無損檢測(cè)設(shè)備對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棒的氦壓分別反復(fù)檢測(cè)，各重復(fù)20 次，分別記錄三種標(biāo)準(zhǔn)棒測(cè)得的氦壓數(shù)據(jù)。

1.3.2 兩種方法測(cè)燃料棒

取一支實(shí)驗(yàn)用燃料棒，表面用酒精或丙酮清潔后按固定的時(shí)間間隔使用氦壓無損檢測(cè)設(shè)備對(duì)燃料棒的氦壓進(jìn)行反復(fù)檢測(cè)，重復(fù)20 次；然后將該燃料棒送至氦壓裝置C0550 進(jìn)行穿刺測(cè)壓，記錄兩種方法測(cè)得的氦壓相關(guān)數(shù)據(jù)，并按式（4）將穿刺測(cè)壓法測(cè)到的數(shù)據(jù)換算成25℃下相應(yīng)值。

1.3.3 變量實(shí)驗(yàn)

為繼續(xù)深入探索氦壓無損檢測(cè)方法的可靠性是否存在局限性，研究過程使用控制變量法，選取的變量有：燃料棒自身溫度及單次測(cè)量的時(shí)間間隔。另外，為了測(cè)試氦壓無損檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量穩(wěn)定性，并探討環(huán)境溫度對(duì)設(shè)備檢測(cè)結(jié)果的影響，一方面設(shè)置了一批實(shí)驗(yàn)燃料棒，除了測(cè)量時(shí)間點(diǎn)外的其他測(cè)量變量均一致；另一方面選取了棒號(hào)后7位為0710250的燃料棒進(jìn)行長時(shí)間的持續(xù)測(cè)量，從而做出同一支棒在不同日期（環(huán)境溫度下）測(cè)量結(jié)果的變化曲線。整理得到各實(shí)驗(yàn)燃料棒的序號(hào)和變量控制情況如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)所測(cè)燃料棒的信息和變量控制Table 1 Information and variable control of the fuel rods tested in the experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)棒

采用三種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)棒驗(yàn)證氦壓無損檢測(cè)設(shè)備。從表2和圖5（a）可知，氦壓無損檢測(cè)設(shè)備測(cè)出0.98MPa標(biāo)準(zhǔn)棒的測(cè)量偏差≤0.01MPa；從表3和圖5（b）可知，氦壓無損檢測(cè)設(shè)備測(cè)出1.76MPa標(biāo)準(zhǔn)棒的測(cè)量偏差≤0.02MPa；從表4和圖5（c）可知，氦壓無損檢測(cè)設(shè)備測(cè)出2.45MPa 標(biāo)準(zhǔn)棒的測(cè)量偏差≤0.03MPa。綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)棒的測(cè)量偏差均＜0.05MPa，滿足氦壓無損檢測(cè)設(shè)備測(cè)量偏差的要求［15］。

表2 標(biāo)準(zhǔn)棒（0.98MPa）檢測(cè)結(jié)果Table 2 Test results of the standard rod (0.98MPa)

表4 標(biāo)準(zhǔn)棒（2.45MPa）測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of the standard rod (2.45MPa)

圖5 三種氦壓不同的標(biāo)準(zhǔn)棒測(cè)試結(jié)果(a) 標(biāo)準(zhǔn)棒（0.98MPa）氦壓值，(b) 標(biāo)準(zhǔn)棒（1.76MPa）氦壓值，(c) 標(biāo)準(zhǔn)棒（2.45MPa）氦壓值Fig.5 Test results of standard rods with three different helium pressures (a) Helium pressure value of 0.98MPa,(b) Helium pressure value of 1.76MPa, (c) Helium pressure value of 2.45MPa

2.2 兩種方法測(cè)燃料棒

控制無損檢測(cè)單次測(cè)量時(shí)間間隔為2min，測(cè)量次數(shù)20 次，對(duì)10 支合格燃料棒進(jìn)行了檢測(cè)，后又分別進(jìn)行穿刺。檢測(cè)結(jié)果如表5和圖6所示。各實(shí)驗(yàn)棒無損檢測(cè)法得到的數(shù)據(jù)總體穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)差均≤0.01MPa。比較兩種測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果，所有棒的測(cè)量偏差均＜0.05MPa。由此可見，當(dāng)環(huán)境溫度控制在24～30℃范圍時(shí)，無損檢測(cè)法與穿刺測(cè)壓法的所得結(jié)果是基本一致的。

表5 無損檢測(cè)法與穿刺測(cè)壓法數(shù)據(jù)對(duì)比Table 5 Comparison between non-destructive testing method and puncture manometry data

圖6 無損檢測(cè)法數(shù)據(jù)與穿刺測(cè)壓法數(shù)據(jù)的偏差分布Fig.6 Deviation distribution between non-destructive testing data and puncture manometry data

2.3 各變量對(duì)無損檢測(cè)結(jié)果的影響

2.3.1 單次測(cè)量的時(shí)間間隔、燃料棒自身溫度

控制其他變量不變，對(duì)2-1～2-6等6支單次測(cè)量時(shí)間間隔分別為2min、1min 和0min 的燃料棒，以及剛經(jīng)過清洗和熱烘、棒體溫度偏高的3-1 燃料棒進(jìn)行了檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如表6和圖7所示。各實(shí)驗(yàn)棒無損檢測(cè)法得到的數(shù)據(jù)總體穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)差均≤0.013MPa。比較發(fā)現(xiàn)，單次測(cè)量時(shí)間間隔為1min時(shí)，無損檢測(cè)法的結(jié)果和穿刺測(cè)壓法的結(jié)果雖然大致符合，但已呈現(xiàn)前者小于后者的趨勢(shì)；測(cè)量時(shí)間間隔為0min 時(shí)，兩種方法結(jié)果間的偏差已經(jīng)達(dá)到0.05MPa。另外，時(shí)間間隔為1min，但棒自身溫度偏高時(shí)，兩種方法結(jié)果之間的偏差是該組實(shí)驗(yàn)棒中最大的。鑒于本組實(shí)驗(yàn)棒均屬合格棒，且是先進(jìn)行無損檢測(cè)法檢測(cè)，可以認(rèn)為進(jìn)行穿刺時(shí)棒內(nèi)外已經(jīng)達(dá)到熱平衡，穿刺法所得結(jié)果較無損檢測(cè)法可靠。因此，其他條件相同時(shí)，棒自身溫度越高，單次測(cè)量的間隔時(shí)間越短（≤2min），無損檢測(cè)法測(cè)得的棒內(nèi)氦壓越低。其中，較短的單次測(cè)量間隔時(shí)間也可以歸結(jié)為提高棒自身溫度的因素。

表6 不同單次測(cè)量時(shí)間間隔和燃料棒自身溫度的實(shí)驗(yàn)棒使用兩種方法檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 6 Comparison of test rods using two methods for different single measurement time intervals and fuel rod temperature

圖7 實(shí)驗(yàn)棒4-1使用無損檢測(cè)法檢測(cè)結(jié)果對(duì)照?qǐng)D (a) 夏季，(b) 冬季Fig.7 Comparison chart of test results using nondestructive testing method for test rod 4-1 (a) Summer, (b) Winter

在實(shí)際工作中，檢測(cè)每支燃料棒前，燃料棒自身溫度均與環(huán)境溫度一致，只有當(dāng)燃料棒經(jīng)氦壓無損設(shè)備檢測(cè)后，其溫度才會(huì)顯著升高，此時(shí)，若燃料棒檢測(cè)結(jié)果合格，則燃料棒繼續(xù)流向下一工序；若燃料棒檢測(cè)結(jié)果不合格，才會(huì)重新進(jìn)行氦壓無損的復(fù)測(cè)，而在復(fù)測(cè)前，只要燃料棒放置足夠時(shí)間（≥2min），使得燃料棒自身溫度降至與環(huán)境溫度一致，則不會(huì)對(duì)復(fù)測(cè)結(jié)果有影響。

2.3.2 環(huán)境溫度

控制無損檢測(cè)單次測(cè)量時(shí)間間隔為2min，測(cè)量次數(shù)10 次，對(duì)實(shí)驗(yàn)棒4-1 每日或隔日進(jìn)行上述的一輪檢測(cè)，分別從8 月起持續(xù)了36 次，從12 月起持續(xù)了19次。由于檢測(cè)期間標(biāo)準(zhǔn)棒標(biāo)定數(shù)據(jù)發(fā)生偏離，如表7所示，設(shè)備于10月末進(jìn)行了校準(zhǔn)，因此兩段時(shí)間的測(cè)量數(shù)據(jù)相互不具備可比性。無損檢測(cè)結(jié)束后對(duì)4-1 棒進(jìn)行穿刺測(cè)壓，測(cè)得內(nèi)部氦壓為2.204MPa。

表7 檢測(cè)期間無損檢測(cè)設(shè)備標(biāo)定值隨時(shí)間變化趨勢(shì)（部分?jǐn)?shù)據(jù)）Table 7 Trend of calibration value of non-destructive testing equipment over time during testing (partial data)

如圖7所示，4-1實(shí)驗(yàn)棒單日的無損檢測(cè)數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，標(biāo)準(zhǔn)差均≤0.015MPa，總體數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍也在無損檢測(cè)的總誤差即0.05MPa 之內(nèi)。而分別對(duì)夏季、冬季兩組數(shù)據(jù)分別作溫度-氦壓檢測(cè)值關(guān)系曲線，并作線性擬合，如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)由于檢測(cè)誤差的存在，或者溫度數(shù)據(jù)的精確度不夠，在夏季也就是23～30℃的溫度范圍未見溫度對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響；而在冬季也就是16～20℃的溫度范圍則呈現(xiàn)出較弱的變化趨勢(shì)，溫度越低，測(cè)量結(jié)果越大，這一點(diǎn)在表7的標(biāo)定數(shù)據(jù)中也可得到印證。

圖8 實(shí)驗(yàn)棒4-1無損檢測(cè)氦壓數(shù)值與溫度的關(guān)系 (a) 夏季，(b) 冬季Fig.8 Relationship between helium pressure value and temperature in the non-destructive testing of experimental rod 4-1(a) Summer, (b) Winter

環(huán)境溫度越高，無損檢測(cè)法測(cè)得氦壓越小的原因可以從測(cè)溫原理上進(jìn)行解釋。由于4-1實(shí)驗(yàn)棒在檢測(cè)前未作其他處理，可以認(rèn)為環(huán)境溫度事實(shí)上等同于實(shí)驗(yàn)棒自身的溫度。由前述可知，DU是無損檢測(cè)法中的關(guān)鍵變量，而式（3）顯示，氦壓與DU值正相關(guān)。由式（2）可知，由于κ一般取1，DU與Ex成正比，與kv成反比。而Ex、kv分別反映了熱電偶的溫度差與溫度和。

對(duì)于同一支燃料棒，溫度變化時(shí)，Ex直接反映棒內(nèi)氦的熱對(duì)流速率，溫度變化通過影響熱導(dǎo)系數(shù)間接影響Ex，自然環(huán)境下熱導(dǎo)系數(shù)變化很小，因而Ex變化相對(duì)較小，而直接反映棒自身溫度的kv變化相對(duì)較大。因此，本試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，溫度越高，DU越小，計(jì)算得到的氦壓就越小。

3 結(jié)語

1）本文從實(shí)際使用情況出發(fā)，為檢驗(yàn)無損檢測(cè)設(shè)備測(cè)試燃料棒氦壓的可靠性，針對(duì)性地設(shè)置了多組實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：對(duì)于不同氦壓的標(biāo)準(zhǔn)棒，利用無損檢測(cè)設(shè)備能夠準(zhǔn)確得出其氦壓值。

2）在與傳統(tǒng)穿刺測(cè)壓法進(jìn)行對(duì)比測(cè)試中，無損檢測(cè)法在溫度為24～30℃的范圍內(nèi)，與穿刺測(cè)壓法所得結(jié)果基本一致，可以替代穿刺測(cè)壓法進(jìn)行燃料棒氦壓測(cè)試。

3）燃料棒自身溫度與環(huán)境溫度不一致時(shí)，會(huì)影響無損檢測(cè)設(shè)備氦壓測(cè)量準(zhǔn)確性，為了避免產(chǎn)生測(cè)量誤差，同一支標(biāo)準(zhǔn)棒或燃料棒進(jìn)行重復(fù)測(cè)量前需間隔至少2min。

作者貢獻(xiàn)聲明黃帆起草文章，實(shí)驗(yàn)方案初步擬定，實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)采集，解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，文章最終版修訂；朱浙楠實(shí)驗(yàn)方案修訂完善，實(shí)驗(yàn)過程指導(dǎo)；曹暉實(shí)驗(yàn)過程協(xié)助采集數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)真實(shí)性；于文昕設(shè)備操作并得出測(cè)試數(shù)據(jù)，文章格式檢查；蒙笑緣文檔內(nèi)容部分修訂。