摘 要：本研究通過對國內(nèi)外因制造因素導(dǎo)致燃料破損案例的跟蹤，對燃料組件制造環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致堆內(nèi)燃料破損的環(huán)節(jié)開展了工藝優(yōu)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(yōu)化和管理改進，提升了燃料制造質(zhì)量，實現(xiàn)了燃料組件無制造原因?qū)е缕茡p的目標。

關(guān)鍵詞：燃料破損，經(jīng)濟性，工藝優(yōu)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(fā)生。一旦燃料組件破損，將對機組的安全性、經(jīng)濟性、機組運行控制、卸料檢修產(chǎn)生較大影響，有時甚至?xí)?dǎo)致輿情事件[1-2]。根據(jù)國際原子能機構(gòu)（IAEA）的統(tǒng)計，燃料破損原因主要包括運行、設(shè)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(xiàn)燃料“零破損”目標，燃料制造廠有必要針對制造環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致的燃料破損采取針對性工藝和管理改進，持續(xù)提升燃料的可靠性。

1 制造導(dǎo)致燃料破損經(jīng)驗反饋

根據(jù)統(tǒng)計，從2013年以來，國內(nèi)40余燃料循環(huán)出現(xiàn)燃料破損的情況。已經(jīng)查明的破損主要原因有：工程異物導(dǎo)致的破損12組，占比約30%；由堵孔焊點缺陷導(dǎo)致破損組件2組，占比約5%；疑似鋯屑導(dǎo)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(jù)IAEA水冷堆燃料破損文獻[3-4]以及國內(nèi)破損燃料棒池邊檢查和熱室檢查的實際情況，制造因素導(dǎo)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(fā)生變形時，燃料棒無法按照原設(shè)計得到合理的夾持，在堆內(nèi)水流沖擊下導(dǎo)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(chǎn)生鋯屑（絲）。國外分析認為較大的鋯屑會導(dǎo)致燃料棒上出現(xiàn)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(nèi)外發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)堵孔焊點部分沾有微量鎢元素，導(dǎo)致貫穿性破口。

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

2 工藝和管理改進

核燃料制造廠根據(jù)堆內(nèi)運行經(jīng)驗反饋，分析燃料制造環(huán)節(jié)可能導(dǎo)致燃料破損風險，采取了工藝改進及管理優(yōu)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，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(yōu)化

目前，國內(nèi)核燃料制造廠已經(jīng)提供了超過2. 5萬組核燃料組件，格架制造和檢驗?zāi)芰Φ玫搅蓑炞C，尚未發(fā)現(xiàn)格架制造原因?qū)е碌膭偼?、彈簧損傷。因此，格架剛凸和彈簧損傷最可能的環(huán)節(jié)是燃料組件組裝環(huán)節(jié)。

經(jīng)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(dǎo)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(dǎo)致下端部格架柵元損傷變形，嚴重者可能導(dǎo)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?qū)е吕瓊窦軚旁?/p>

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

2.2 減少鋯屑的拉棒工藝優(yōu)化

經(jīng)分析，產(chǎn)生鋯屑的主要環(huán)節(jié)在燃料組件組裝拉棒時。為此，制造廠采用在燃料棒表面產(chǎn)生水膜的水潤滑工藝。通過該工藝，改善了鋯屑的形態(tài)，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(yīng)堆堆芯，燃料制造廠采取如下優(yōu)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(yù)裝平臺和組裝平臺定期進行對中性檢測，確保拉棒設(shè)備的對中性滿足要求。

（2）優(yōu)化水潤滑工藝，調(diào)整毛刷軟硬度和疏密度以及旋轉(zhuǎn)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(yōu)化試驗，減少了鋯屑的產(chǎn)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(chǎn)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(shè)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(chǎn)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(jié)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(xiàn)場交付檢查時基本實現(xiàn)了交付零鋯屑。

2.3 焊接工藝優(yōu)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(zhì)量穩(wěn)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(huán)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(yōu)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(dǎo)致UO2粉末沉淀在小孔處導(dǎo)致焊點鈾沾污。在接獲電站的經(jīng)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(xù)電站未反饋有類似原因?qū)е碌钠茡p。

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(dǎo)致部分鎢融合在焊點中。為根除此現(xiàn)象，燃料廠采取了以下措施：

（1）首先規(guī)范鎢極的使用，建立了鎢極采購、領(lǐng)用、打磨、使用管理制度，盡可能使用相同狀態(tài)的鎢極進行焊接，避免因鎢極形狀不規(guī)則導(dǎo)致的沾鎢現(xiàn)象；

（2）燃料棒環(huán)縫焊接或堵孔點焊過程中發(fā)生異常起弧現(xiàn)象，可能也會導(dǎo)致焊點沾鎢。為此，增加了焊接參數(shù)實時記錄監(jiān)控系統(tǒng)，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(jiān)控和焊接電流參數(shù)跟蹤監(jiān)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(shè)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(yōu)化

芯塊裝管前，需要剔除出帶缺陷的芯塊，否則可能會導(dǎo)致燃料棒在堆內(nèi)運行時出現(xiàn)燃料芯塊與燃料包殼相互作用導(dǎo)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(shè)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(chǎn)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(jīng)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(xùn)，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(huán)節(jié)，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(dǎo)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(nèi)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(nèi)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(yōu)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(jīng)連續(xù)數(shù)年實現(xiàn)了所供燃料組件堆內(nèi)運行零破損，達到了預(yù)期的效果。

4 結(jié) 論

通過對制造環(huán)節(jié)導(dǎo)致破損原因的深入分析，提出了一系列的工藝及管理優(yōu)化措施，這些措施有效地提高了燃料制造質(zhì)量可靠性，結(jié)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(dǎo)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(fù)經(jīng)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(guān)組件制造工藝。

（責任編輯：張瑞洋）