壓水堆核電廠控制棒壽命分析

摘要：核電廠控制棒組件在反應(yīng)堆堆芯承擔(dān)功率調(diào)整和安全停堆重要功能。良好狀態(tài)下的控制棒組件是核電廠安全運(yùn)行的基本保障。近年來，國內(nèi)外核電廠控制棒組件落棒試驗(yàn)超差，卡棒和破損等事件時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響到了反應(yīng)堆安全和電廠可靠性。國內(nèi)核電廠控制棒運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)少，且沒有控制棒更換的相關(guān)法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)，這使得對控制棒壽命分析尤為重要。本文通過對壓水堆核電廠控制棒在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中的主要缺陷分析，以及對控制棒在各循環(huán)棒價(jià)值測量數(shù)據(jù)分析，提出了壓水堆核電廠控制棒使用壽命建議。

關(guān)鍵詞：控制棒組件；缺陷分析；壽命分析

中圖分類號(hào)： TL421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1 引 言

控制棒組件在反應(yīng)堆堆芯擔(dān)任反應(yīng)堆功率調(diào)整、安全停堆重要功能。其本身的可靠性，直接影響反應(yīng)堆的安全。隨著核電站運(yùn)行時(shí)間的增長，控制棒輻照累計(jì)劑量增加和在燃料組件導(dǎo)向管中摩擦次數(shù)增加，控制棒可能發(fā)生如下?lián)p傷：磨損、腫脹和裂紋?？刂瓢艚M件價(jià)值昂貴，國內(nèi)控制棒更換周期沒有明確限制，本文探討了壓水堆控制棒組件運(yùn)行過程中出現(xiàn)的主要缺陷以及堆內(nèi)物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析，提出了壓水堆控制棒使用壽命建議，以供參考。

2、控制棒運(yùn)行過程的缺陷分析

在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，控制棒組件處于高溫、高壓和高放射性的特殊工況下，在其包殼上可能產(chǎn)生磨損、腫脹和裂紋等典型的缺陷。這三種缺陷的產(chǎn)生和發(fā)展是關(guān)系到控制棒組件能否繼續(xù)入堆使用的重要依據(jù)。

2.1 磨損缺陷

控制棒在反應(yīng)堆中，其棒體不同區(qū)域相對導(dǎo)向管所處的位置不同，具體工況會(huì)存在差異，從而導(dǎo)致出現(xiàn)不同的缺陷。通常按運(yùn)行期間控制棒位置，將控制棒包殼分為三種區(qū)域：板塊區(qū)域、常規(guī)區(qū)域和尖部區(qū)域。板塊區(qū)域?yàn)榭刂瓢襞c導(dǎo)向管端部接觸的區(qū)域；常規(guī)區(qū)域?yàn)榭刂瓢粑床迦肴剂辖M件且未與導(dǎo)向管端部接觸的區(qū)域；尖部區(qū)域?yàn)榭刂瓢敉Ａ粼谌剂辖M件內(nèi)的區(qū)域。

反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)，控制棒上部較長范圍處在燃料組件的上方（包括常規(guī)區(qū)域和部分板狀區(qū)域），而僅有下部一段停留在燃料組件導(dǎo)向管中（包括尖部區(qū)域和部分板狀區(qū)域）。其中板狀區(qū)域由于受水流沖擊影響，控制棒會(huì)頻繁與導(dǎo)向管端部相碰撞，從而產(chǎn)生微震磨損。所以絕大部分的微震磨損均出現(xiàn)在板狀區(qū)域，常規(guī)區(qū)域和尖部區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)此類磨損。另一種情況為控制棒在反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間做上下步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于與導(dǎo)向管之間不可避免會(huì)存在局部摩擦，最終導(dǎo)致產(chǎn)生磨損，即步進(jìn)磨損和急停磨損。

磨損缺陷的出現(xiàn)是一個(gè)長期過程，若控制棒包殼管磨穿，控制棒吸收材料（銀-銦-鎘合金）進(jìn)入一回路系統(tǒng)，會(huì)加速一回路管道腐蝕速率。

2.2 腫脹缺陷

控制棒包殼材料接受高溫、高壓和高劑量中子照射，內(nèi)部的缺陷聚集，造成包殼材料的輻照腫脹；銀-銦-鎘吸收體受熱和吸收中子體積膨脹，當(dāng)膨脹體積超過包殼內(nèi)徑時(shí)，將導(dǎo)致包殼腫脹現(xiàn)象的發(fā)生。對于控制棒下端的尖部區(qū)域，由于反應(yīng)堆正常運(yùn)行期間始終停留在燃料組件內(nèi)，會(huì)大量吸收熱量和中子，且此區(qū)域的輻照強(qiáng)度非常高，在服役一定時(shí)間后，在此區(qū)域?qū)⒏菀壮霈F(xiàn)腫脹現(xiàn)象。

控制棒包殼管輻照腫脹，將直接導(dǎo)致控制棒落棒時(shí)間超差，甚至卡棒。

從控制棒無損檢測數(shù)據(jù)分析看出，控制棒組件棒體直徑變化和是否擔(dān)當(dāng)主調(diào)節(jié)棒有很大關(guān)系，擔(dān)當(dāng)主調(diào)節(jié)棒次數(shù)越多，控制棒體平均直徑、直徑最大值都大。這與腫脹產(chǎn)生機(jī)理結(jié)論是一致的。

不銹鋼材料輻照腫脹經(jīng)驗(yàn)指出：當(dāng)不銹鋼輻照中子積分通量達(dá)到1022n/cm2以上后，材料內(nèi)部缺陷在一定的條件下就會(huì)聚集，造成不銹鋼材料的輻照腫脹。腫脹量與輻照溫度、中子注量有關(guān)，堆芯滿功率穩(wěn)定運(yùn)行情況下，輻照溫度變化不大，因此，腫脹量與中子注量成正比。650MWe壓水堆核電機(jī)組堆芯滿功率運(yùn)行時(shí)快中子通量（E>0.82Mev，n/cm2.s）約為3×1013 n/cm2.s，一個(gè)燃料循環(huán)運(yùn)行時(shí)間約為2.6×107s，進(jìn)行如下簡單計(jì)算：

從上述經(jīng)驗(yàn)公式估算值可以看出，正常運(yùn)行的控制棒組件在堆內(nèi)服役十二、三年后就會(huì)發(fā)生包殼管可記錄的腫脹，這也與國內(nèi)外控制棒檢查結(jié)果一致。

推行控制棒換位策略，即考慮主調(diào)節(jié)棒換位，是一個(gè)非?？尚械目刂瓢粞訅鄞胧?。

2.3 裂紋缺陷

隨著核電站運(yùn)行時(shí)間的增長，金屬材料的性能逐漸降低，對于控制棒這種處在高溫、高壓和強(qiáng)放射性等極其惡劣的特殊工況下的材料，其性能降低的速度更加明顯，極易導(dǎo)致裂紋缺陷的產(chǎn)生。當(dāng)控制棒包殼發(fā)生腫脹時(shí)，由于張力的增加勢必加速裂紋缺陷的產(chǎn)生，所以在出現(xiàn)腫脹缺陷的同時(shí)伴隨有裂紋缺陷。因此在控制棒組件運(yùn)行中后期，應(yīng)加強(qiáng)裂紋缺陷的檢查。裂紋缺陷最終會(huì)導(dǎo)致控制棒包殼管破裂，銀-銦-鎘吸收體進(jìn)入一回路，在運(yùn)行期間會(huì)增加凈化系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，停堆后會(huì)增加檢修操作劑量。

上述三種主要控制棒缺陷，直接影響控制棒使用壽命?？赏ㄟ^無損檢查，對比分析控制棒組件狀況、缺陷產(chǎn)生發(fā)展變化和趨勢，預(yù)測控制棒組件失效時(shí)間，從而有效提供控制棒調(diào)整、更換依據(jù)，達(dá)到控制棒組件良好監(jiān)測目的。

3、物理試驗(yàn)中控制棒數(shù)據(jù)結(jié)果分析

650MWe壓水堆核電機(jī)組全部采用銀-銦-鎘合金作為控制棒吸收體材料，即傳統(tǒng)意義上的黑棒。這是因?yàn)殒k的熱中子吸收截面很大，銀和銦對于能量在超熱能區(qū)的中子又具有較大的共振吸收能力。另外，該控制棒材料單位體積中含吸收體核數(shù)較多，而且它吸收中子后形成的子核也具有較大的吸收截面，吸收中子的能力不會(huì)受自身的“燃耗”的影響。

從圖1 機(jī)組各循環(huán)棒價(jià)值測量數(shù)據(jù)來看，所有結(jié)果都符合±10%的驗(yàn)收準(zhǔn)則，雖然結(jié)果有一定波動(dòng)且有略微偏負(fù)的趨勢，但這可能跟理論計(jì)算結(jié)果、測量過程等相關(guān)，并不能說明控制棒有明顯的燃耗現(xiàn)象。因此，控制棒壽命不需要考慮其本身隨循環(huán)增加帶來的棒價(jià)值損失。

4、結(jié)論

RCC-C提到控制棒設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)是應(yīng)考慮相關(guān)組件在堆內(nèi)的時(shí)間至少為15年，這是從設(shè)計(jì)、材料和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中提出的設(shè)計(jì)要求，但國內(nèi)并沒有相關(guān)法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)對控制棒組件更換的時(shí)間要求。

由于控制棒組件在壽期內(nèi)的棒價(jià)值不變，并且在運(yùn)行過程中銀-銦-鎘合金吸收體不釋放氣體，我們認(rèn)為只要控制棒組件的機(jī)械完整性良好，能夠承受所有的運(yùn)行載荷，特別是在緊急停堆和按步進(jìn)操縱控制棒升降時(shí)由控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所施加的最大載荷，控制棒的磨損、腫脹和裂紋沒有超出設(shè)定閾值，結(jié)合電站現(xiàn)場一些如換位策略等優(yōu)化管理措施，控制棒組件15年使用壽命是可行的。

參考文獻(xiàn)

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