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

（國(guó)核示范電站有限責(zé)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(yīng)的主要原料，在核裂變產(chǎn)生巨大能量的同時(shí)，多種放射性物質(zhì)也相應(yīng)產(chǎn)生。

燃料組件包殼完整時(shí)，這些放射性物質(zhì)被阻擋在燃料包殼內(nèi)。但一旦燃料包殼破損，部分放射性物質(zhì)將泄漏到反應(yīng)堆冷卻劑中，一是造成冷卻劑劑量上升，造成核島部分設(shè)備污染，給反應(yīng)堆內(nèi)部系統(tǒng)設(shè)備檢修帶來(lái)困難；二是存在冷卻劑中的放射性進(jìn)入人居環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。

在燃料組件包殼破損統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)燃料組件制造缺陷是燃料組件堆內(nèi)運(yùn)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(gòu)的燃料組件堆內(nèi)運(yùn)行破損機(jī)率，該文從壓水堆核電站燃料組件結(jié)構(gòu)入手，對(duì)燃料組件制造過(guò)程、監(jiān)造要點(diǎn)進(jìn)行分析，概括了燃料組件制造過(guò)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(zhì)量缺陷，及時(shí)修復(fù)、更換具有質(zhì)量缺陷的燃料組件，有效地降低了燃料組件堆內(nèi)運(yùn)行破損的機(jī)率。

1 燃料組件破損原因分析

燃料破損原因和機(jī)理是多方面的，且很復(fù)雜，早在70年代，包殼一次氫化破壞和燃料密實(shí)是兩個(gè)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(yùn)行時(shí)變?yōu)檎羝?，與鋯合金包殼內(nèi)表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，包殼局部大量吸氫，氫化物向外擴(kuò)展，最后貫穿包殼管壁而形成破口。不久，通過(guò)提高芯塊密度、芯塊干燥、控制燃料棒內(nèi)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(yùn)行初期發(fā)生密實(shí)化效應(yīng)，體積減小，形成軸向間隙，而且燃料棒預(yù)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(yù)充氦氣壓力。

近幾年來(lái)，外來(lái)異物磨蝕、格架磨蝕和制造缺陷是主要破損原因，詳見(jiàn)表1。

表1 壓水堆燃料組件破損原因

進(jìn)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(fā)生振動(dòng)磨蝕，嚴(yán)重時(shí)包殼被磨穿，往往產(chǎn)生大破口，不但使裂變氣體大量釋放，而且燃料碎屑也會(huì)逸出，危害相當(dāng)大，這是數(shù)量大而又普遍發(fā)生的一種破壞，在美國(guó)，2000 年占全部破損組件的50%以上；在法國(guó)，在AFA 組件泄漏棒中高達(dá)71%。在大亞灣核電廠，8組燃料組件發(fā)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(dòng)磨蝕破損的燃料組件中，發(fā)現(xiàn)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(guò)組件設(shè)計(jì)改進(jìn)（增加防止異物進(jìn)入的濾網(wǎng)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(gè)燃料組件破損的5%-6%。曾在1994 年底，法國(guó)一個(gè)堆的燃料因制造過(guò)程中UO2芯塊上濺上甲醇（甲醇屬碳?xì)浠衔?，高溫輻照下有水生成），造?0 根棒泄漏，被迫非計(jì)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(lái)看。采購(gòu)時(shí)嚴(yán)格控制燃料組件制造質(zhì)量，加強(qiáng)燃料組件制造監(jiān)督勢(shì)在必行。

2 燃料組件制造監(jiān)督

2.1 燃料組件結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)壓水堆核電站多數(shù)采用AFA-3G 型燃料組件，每個(gè)燃料組件含有289 個(gè)棒位，呈17×17 正方形柵格柵元排列。其中264 個(gè)柵元為燃料棒，24 個(gè)柵元為導(dǎo)向管，為燃料組件的格架提供支承，1 個(gè)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(nèi)中子通量探測(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠完全容納燃料棒，確保整個(gè)壽期內(nèi)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(jié)構(gòu)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(nèi)。初始堆芯為三區(qū)布置，富集度3.10%的52 組燃料組件裝在堆芯外圍，稱為3 區(qū)（外區(qū)）；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(nèi)區(qū)，稱為1 區(qū)（內(nèi)區(qū)）和2 區(qū)（中區(qū)）。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(qū)，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(dǎo)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(kāi)始，經(jīng)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(guò)程中，影響燃料組件質(zhì)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(gè)環(huán)節(jié)微小操作失誤或操作不當(dāng)均能引起質(zhì)量波動(dòng)。

2.3 燃料組件制造監(jiān)督

國(guó)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)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(xù)改進(jìn)制造工藝并加強(qiáng)監(jiān)造是實(shí)現(xiàn)燃料組件“零缺陷計(jì)劃”的主要措施。因此各核電企業(yè)都是將核燃料監(jiān)造作為確保核電安全運(yùn)行的重要工作來(lái)做的。

核燃料監(jiān)造跟其他行業(yè)的監(jiān)造工作是有很大區(qū)別的，核燃料監(jiān)造要達(dá)到實(shí)時(shí)在線式的全過(guò)程全覆蓋的目標(biāo)。實(shí)時(shí)在線是指履行監(jiān)造職責(zé)的人員直接在核燃料制造現(xiàn)場(chǎng)并能在第一時(shí)間完成相關(guān)監(jiān)造業(yè)務(wù)，能實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)工藝運(yùn)行情況及生產(chǎn)進(jìn)度；全過(guò)程全覆蓋是指監(jiān)造工作要覆蓋到從原材料采購(gòu)入廠到最終產(chǎn)品出廠驗(yàn)收的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。

在燃料組件制造期間，雖然國(guó)內(nèi)各核電站業(yè)主單位派遣了一部分人員對(duì)本單位的燃料組件制造過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)督，并且按要求設(shè)置了R 點(diǎn)、W 點(diǎn)、H 點(diǎn)。但由于監(jiān)造差異及人員水平各異，所以監(jiān)造的最終效果也不一樣，有的根本起不到監(jiān)督作用。

在燃料組件制造過(guò)程中，為了加強(qiáng)燃料組件制造監(jiān)督管理，進(jìn)一步減少燃料組件由制造原因引起的破損機(jī)率，各核電站業(yè)主紛紛對(duì)燃料組件監(jiān)造人員進(jìn)行了業(yè)務(wù)培訓(xùn)，同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)燃料組件制造服務(wù)監(jiān)督，設(shè)置了燃料制造廠自行監(jiān)督、設(shè)計(jì)后援獨(dú)立監(jiān)督、核電業(yè)主獨(dú)立監(jiān)督的三重監(jiān)督體系，燃料組件的制造服務(wù)監(jiān)督是從原材料采購(gòu)開(kāi)始到燃料組件制造完工的全過(guò)程。

在文件審查方面，對(duì)供應(yīng)商訂單（分包合同）、質(zhì)量計(jì)劃、不符合項(xiàng)報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)制造文件以及完工報(bào)告嚴(yán)格按設(shè)備規(guī)格書(shū)及采購(gòu)要求進(jìn)行審查，一人審查，另一人復(fù)查，確保文件符合規(guī)范要求。涉及原材料采購(gòu)、零部件制造以及最終產(chǎn)品制造完成的整個(gè)過(guò)程，通過(guò)審查這些文件的可追溯性、符合性、準(zhǔn)確性等信息，確認(rèn)這些產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量可控，從而減少產(chǎn)品缺陷的產(chǎn)生。

在產(chǎn)品見(jiàn)證方面，對(duì)其全部或者部分抽檢指標(biāo)的符合性檢查，從而確定其質(zhì)量是否可以接受。燃料組件制造的見(jiàn)證包括工藝/產(chǎn)品合格性鑒定見(jiàn)證和產(chǎn)品見(jiàn)證，其中產(chǎn)品見(jiàn)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(jiàn)證。對(duì)于重要工序要設(shè)置停工待檢點(diǎn)，監(jiān)造人員要實(shí)施100%見(jiàn)證確認(rèn)，否則該產(chǎn)品不得進(jìn)入下一道工序。

交付驗(yàn)收：由于燃料組件的重要性，交貨后的燃料組件直接進(jìn)入乏燃料水池內(nèi)，難以驗(yàn)證其質(zhì)量特性以及設(shè)計(jì)、制造或試驗(yàn)過(guò)程復(fù)雜，因此采用了交付驗(yàn)收的方法。交付驗(yàn)收需要對(duì)燃料組件的總體情況按照合同和相關(guān)技術(shù)條件的要求進(jìn)行全面的檢查，這些檢查包括交付前組件完好性、性能檢測(cè)、密封性試驗(yàn)、設(shè)備標(biāo)識(shí)、包裝情況、完工文件情況等，避免把質(zhì)量缺陷帶到核電站反應(yīng)堆內(nèi)。如圖1所示。

圖1 燃料組件制造流程圖

除此之外，電站業(yè)主的監(jiān)造人員經(jīng)常對(duì)制造現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備有效期、操作規(guī)范性、設(shè)備缺陷性等進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)制止，有效地減少了缺陷組件的產(chǎn)生。通過(guò)上述措施，發(fā)現(xiàn)了一系列質(zhì)量缺陷問(wèn)題，減少了缺陷組件入堆造成組件破損風(fēng)險(xiǎn)。檢查出的質(zhì)量缺陷舉例見(jiàn)圖2。

圖2 燃料組件缺陷圖

通過(guò)加強(qiáng)一系列的燃料組件制造監(jiān)督措施，燃料組件由于制造缺陷原因破損的組件由原來(lái)的5%-6%減少到了約2%-3%。

3 結(jié)論

①燃料組件制造缺陷是造成燃料組件堆內(nèi)運(yùn)行破損原因之一，結(jié)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(jiān)督、設(shè)計(jì)后援獨(dú)立監(jiān)督、核電業(yè)主獨(dú)立監(jiān)督的三重監(jiān)督體系，并通過(guò)加強(qiáng)燃料組件制造監(jiān)督能有效地提高了燃料組件產(chǎn)品質(zhì)量，減少了燃料組件在堆內(nèi)運(yùn)行破損機(jī)率。