［摘 要］為滿足后處理廠乏燃料接收與貯存設(shè)施中乏燃料組件破損檢測的需要，文章介紹了國內(nèi)乏燃料組件破損檢測方法，分析了乏燃料組件破損檢測設(shè)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(shù)字化水平提出合理化建議。

［關(guān)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(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）07–0134–03

乏燃料組件是核電廠運(yùn)行過程中的重要產(chǎn)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(guān)鍵屏障，其完整性對于防止放射性物質(zhì)的泄漏至關(guān)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(yùn)輸容器內(nèi)并轉(zhuǎn)運(yùn)至后處理廠中進(jìn)行處理，需要特別注意其在裝卸和運(yùn)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(dǎo)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(zhuǎn)運(yùn)至水池貯存，待滿足時間后可進(jìn)行后處理；冷卻時間≥ 8 a 的乏燃料組件可直接進(jìn)行后處理。乏燃料運(yùn)輸容器內(nèi)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(chǎn)物，污染乏燃料貯存水池的冷卻水。因此，在運(yùn)抵目的地后，必須檢測運(yùn)輸容器內(nèi)是否存在破損的燃料組件，確保進(jìn)入貯存水池的乏燃料組件完整無損。目前國內(nèi)后處理廠并沒有設(shè)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(yīng)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(nèi)乏燃料組件破損檢測方法

為保證反應(yīng)堆安全運(yùn)行，壓水堆內(nèi)進(jìn)行的燃料組件檢測包括：反應(yīng)堆運(yùn)行過程中冷卻劑回路取樣檢測（及時察覺堆內(nèi)燃料破損）；卸料過程中在線（裝卸料機(jī)套筒內(nèi)）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(bǔ)好復(fù)用[2]。

因?yàn)槿剂辖M件外觀檢查主要針對核燃料組件結(jié)構(gòu)破損或出現(xiàn)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(shí)際應(yīng)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(diǎn)，文章對它們進(jìn)行詳細(xì)的比較和分析。

2 乏燃料組件破損檢測設(shè)備及原理

235U 核燃料在中子轟擊下發(fā)生鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)，會釋放大量的裂變產(chǎn)物。與其他裂變產(chǎn)物相比，裂變氣體85Kr、133Xe 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易損耗，且最容易釋放到充滿氦氣的運(yùn)輸容器內(nèi)，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(jìn)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(yīng)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(jīng)在水池中貯存超過5 a 的乏燃料組件，85Kr 作為破損標(biāo)志核素最為合適。

2.1 加熱式離線啜吸系統(tǒng)

加熱式離線啜吸系統(tǒng)主要由底板和托架、啜吸室、控制和測量組件、流體系統(tǒng)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(nèi)，隨后，啜吸室內(nèi)的水溫快速上升并保持穩(wěn)定。如果燃料棒存在破損，那么在啜吸室內(nèi)的水中會出現(xiàn)經(jīng)破損處泄漏出的帶有裂變產(chǎn)物的液相或氣相物質(zhì)的釋放。這些氣態(tài)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(shí)現(xiàn)對γ 射線的探測。隨著啜吸室內(nèi)水溫的上升，回路中累積的裂變產(chǎn)物釋放率開始上升，直至達(dá)到一個最大值。隨后，由于溫度的穩(wěn)定化，釋放率也趨于穩(wěn)定，氣流的活度同樣穩(wěn)定下來，這一穩(wěn)定化時間的長短直接取決于破損的大小。環(huán)境中放射性活度變化速率與組件破損程度密切相關(guān)，因此通過檢測環(huán)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(tǒng)

真空式離線啜吸系統(tǒng)主要由控制柜、目標(biāo)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(jié)果的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)會先進(jìn)行檢測回路的清洗，確?；芈分械姆派湫越档偷阶畹捅镜追派湫灾笜?biāo)以下，從而避免了對后續(xù)檢測結(jié)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(jìn)行清洗。完成水置換過程后對啜吸筒抽真空，通過目標(biāo)核素檢測單元進(jìn)行放射性檢測。對檢測結(jié)果進(jìn)行分析可以判斷燃料組件是否破損，同時根據(jù)定量分析理論模型可以計算出燃料組件破口當(dāng)量值[6]。

該系統(tǒng)采用復(fù)合探測器對85Kr 和133Xe 兩種核素進(jìn)行探測，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)對氣體經(jīng)過微小破口的機(jī)理進(jìn)行了研究，建立了泄漏當(dāng)量定量分析模型。最后，考慮到系統(tǒng)的存放和使用區(qū)域，該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計和非固定式安裝，在大修時，系統(tǒng)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(tǒng)的維護(hù)和升級更加便捷。

2.3 超聲檢測系統(tǒng)

超聲檢測系統(tǒng)主要由掃查裝置、伺服控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成。超聲檢測系統(tǒng)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(fā)出的聲波沿管壁傳播，傳播過程中板波能量不斷衰減，根據(jù)衰減情況便可判斷燃料棒內(nèi)側(cè)是否存在冷卻劑。若燃料棒內(nèi)部不含冷卻劑，板波在傳播過程中能量衰減較?。蝗羧剂习魞?nèi)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(jìn)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(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)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(fù)裝置配合使用，以保證破損的燃料棒能夠得到及時修復(fù)和更換。然而，超聲檢測也面臨著一些限制和挑戰(zhàn)，如超聲檢測的結(jié)果可能會受組件外表面附著物等因素干擾，導(dǎo)致誤判。此外，為了進(jìn)一步提高超聲檢測的準(zhǔn)確性和可靠性，需要操作人員選擇合適的探頭[8] 和參數(shù)，定期維護(hù)和校準(zhǔn)設(shè)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(tǒng)和超聲檢測系統(tǒng)都能有效檢測出破損組件，但在后處理廠的特定環(huán)境中，還需要考慮以下因素。

（1）由于乏燃料組件的轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)較成熟，后處理廠出現(xiàn)組件破損的概率較低，需要進(jìn)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(tǒng)能夠快速定位燃料棒破損位置，但放在后處理廠的實(shí)際應(yīng)用中考慮，優(yōu)勢不大；同時由于后處理廠中乏燃料組件后續(xù)要進(jìn)行剪切溶解，對破口當(dāng)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(yùn)行需求，設(shè)備需要兼具準(zhǔn)確、高效、易維護(hù)、易操作等特性。真空式離線啜吸系統(tǒng)能夠定性分析組件是否破損，檢測結(jié)果較準(zhǔn)確，且采用模塊化設(shè)計、移動式安裝，操作和維護(hù)較方便。

（3）考慮到未來數(shù)字化后處理廠的運(yùn)維需求，設(shè)備需要具備自動化操作、遠(yuǎn)程監(jiān)視控制、設(shè)備自診斷等智能化功能。這要求在選擇設(shè)備時，不僅要考慮其檢測性能和經(jīng)濟(jì)性，還要重點(diǎn)關(guān)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(tǒng)。

5 結(jié)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(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)智能化控制和管理的步驟如下。

（1）在乏燃料組件運(yùn)輸容器轉(zhuǎn)運(yùn)階段，智能化的控制主要體現(xiàn)在對轉(zhuǎn)運(yùn)容器的自動化操作和監(jiān)控上。乏燃料組件從核電廠經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)容器運(yùn)輸?shù)胶筇幚韽S，在卸料之前，需要先將容器轉(zhuǎn)入準(zhǔn)備間，安裝專用防水保護(hù)罩，將供水管線與防水保護(hù)罩及容器內(nèi)腔相連，冷卻被容器保護(hù)罩覆蓋的外部，以及冷卻和沖洗容器內(nèi)腔里的燃料元件，并排出容器內(nèi)部的氣體，通過在線γ 檢測儀分析容器里的氣體（氪檢測），發(fā)現(xiàn)疑似破損組件。

（2）發(fā)現(xiàn)疑似破損組件后，采用真空啜吸系統(tǒng)逐組進(jìn)行檢測，找出破損組件，并存放于專門的破損組件貯存區(qū)域。在這一過程中，通過智能化的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所有組件的自動檢測，包括組件的定位、吊運(yùn)、密封、清洗及氣體的取樣、分析等環(huán)節(jié)，從而大幅提高檢測效率和準(zhǔn)確性。此外，將檢測結(jié)果送到中央控制室，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

（3）在破損組件的管理方面，通過開發(fā)專用的破損組件管理軟件，可以實(shí)現(xiàn)對破損組件的實(shí)時追蹤和監(jiān)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(diào)度系統(tǒng)優(yōu)先送往首端設(shè)施進(jìn)行剪切。

6 結(jié)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(jié)合后處理廠乏燃料組件破損檢測的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)后處理大廠對破損組件的實(shí)時監(jiān)控和追蹤，提高后處理廠水池運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性。

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