CANDU堆通過冷卻劑133Xe濃度趨勢查找破損燃料

胡 威

(中核核電運行管理有限公司堆芯燃料處，浙江 海鹽 314300)

秦山兩臺CANDU6反應(yīng)堆查找破損燃料的傳統(tǒng)方法為通過緩發(fā)中子掃描系統(tǒng)(DN)掃描380個燃料通道出口冷卻劑的緩發(fā)中子計數(shù)率變化趨勢來判斷。由于DN系統(tǒng)存在設(shè)計缺陷，部分燃料通道無法從通道出口冷卻劑取樣，且緩發(fā)中子測量數(shù)據(jù)可信度差，破損通道查找成功率低。

本文通過分析氣體裂變產(chǎn)物監(jiān)測系統(tǒng)(GFP)在線連續(xù)監(jiān)測冷卻劑133Xe濃度的變化趨勢，推測破損燃料棒束的入堆時間，確定破損燃料棒束所在的冷卻劑環(huán)路。通過換料前后的133Xe濃度變化趨勢，可以確定通道內(nèi)是否存在破損棒束，以及破損棒束是否卸出堆芯。

1 冷卻劑133Xe濃度的變化機理

冷卻劑中的133Xe濃度變化機理如圖1。新燃料入堆后裂變產(chǎn)生133Xe，燃料元件內(nèi)的133Xe 濃度呈指數(shù)規(guī)律上漲，133Xe半衰期為5.3天，大約輻照20天后達到穩(wěn)定濃度。CANDU6反應(yīng)堆熱中子通量為1014cm-2·s-1量級，燃料元件內(nèi)的133Xe達到穩(wěn)定的時間與中子通量水平無關(guān)，平衡濃度與中子通量水平近似成正比。燃料棒破損后，燃料元件內(nèi)的裂變產(chǎn)物通過破口釋放到冷卻劑中，測量的冷卻劑核素濃度會異常升高。與此同時，冷卻劑中的133Xe由于衰變和向空氣中的逃逸而減少。當133Xe通過燃料破口的釋放速率與消耗量達到平衡時，冷卻劑中的133Xe濃度達到穩(wěn)定。

圖1 冷卻劑133Xe濃度變化機理

2 確定破損燃料棒束所在冷卻劑環(huán)路

CANDU6反應(yīng)堆冷卻劑分兩個環(huán)路，兩個環(huán)路的冷卻劑通過上充下泄管線、冷卻劑凈化管線進行交互。破損燃料棒釋放的裂變產(chǎn)物首先進入破損通道所在環(huán)路的冷卻劑中，然后通過環(huán)路間的交互流進入另一環(huán)路中，因此破損燃料棒所在的環(huán)路測量的裂變產(chǎn)物核素濃度較高。

在發(fā)生破損后的初期，測量的兩個環(huán)路裂變產(chǎn)物濃度差較為明顯，更容易監(jiān)測到。發(fā)現(xiàn)燃料破損后，盡快通過GFP系統(tǒng)或化學(xué)取樣分析的方法，分別測量兩個環(huán)路的核素濃度，如果能發(fā)現(xiàn)兩個環(huán)路的裂變核素濃度差，則可以定位破損棒束所在的環(huán)路。

3 判斷破損燃料棒束入堆時間

3.1 新燃料破損

燃料棒破損初期冷卻劑中的133Xe濃度出現(xiàn)間歇性毛刺，隨著133Xe釋放到冷卻劑中的濃度逐漸增加，毛刺越來越多，逐漸過渡到連續(xù)性上漲。133Xe上漲速率非常很慢，達到平衡濃度時間超過1個多月，如圖2所示。這種趨勢對應(yīng)的破損燃料棒束是新裝載的，包殼出現(xiàn)破口時，燃料芯塊和氣隙中的133Xe濃度幾乎為0，由于燃料中的133Xe濃度上升緩慢，導(dǎo)致冷卻劑中測量的133Xe濃度上漲也非常緩慢。由于正常燃料棒中的133Xe濃度達到穩(wěn)定的時間為20 d左右，冷卻劑133Xe濃度達到穩(wěn)定的時間更為滯后，在一個月以上。

圖2 新燃料破損

3.2 次新燃料棒束破損

133Xe最初以微小的階躍上漲，之后的上漲趨勢與新燃料破損相似，以非常緩慢的速度持續(xù)上漲，達到平衡濃度的時間大于一個月，如圖3所示。這種現(xiàn)象表明破損棒束入堆時間較短。入堆時間越久，初始的階躍上漲幅度越大，達到平衡濃度需要的時間越短。破損前，燃料元件和氣隙中的133Xe已積累較小的濃度，但沒有達到平衡。包殼破損后，燃料元件和氣隙中積累的133Xe快速釋放形成階躍上升，隨后破損元件裂變產(chǎn)生133Xe并通過破口向冷卻劑釋放，導(dǎo)致冷卻劑133Xe繼續(xù)增長。

圖3 次新燃料棒束破損

3.3 入堆時間較長的棒束受擾動后破損

冷卻劑133Xe濃度最初呈現(xiàn)大幅階躍上漲，然后由于衰變和向空氣中的逃逸，濃度逐漸降低，最后達到平衡濃度，平衡濃度通常比133Xe的峰值低很多，如圖4所示。這種133Xe變化趨勢表明，破損棒束入堆時間較長，燃料包殼和芯塊之間的氣隙內(nèi)133Xe破損前處于平衡濃度。因為換料等劇烈的擾動，燃料包殼和芯塊間的氣隙中的133Xe短時間大量釋放到冷卻劑中，形成階躍上漲。隨后，由于冷卻劑中133Xe衰變加逃逸速率大于133Xe從燃料破口向冷卻劑的釋放速率，冷卻劑中133Xe濃度降低逐漸達到平衡濃度。

圖4 入堆時間較長的棒束在擾動下破損

3.4 入堆時間較長的棒束在穩(wěn)態(tài)下破損

燃料破損后冷卻劑133Xe濃度以小幅階躍，快速上漲，持續(xù)上漲一段時間內(nèi)，通常幾天后達到穩(wěn)定濃度并保持，如圖5所示。這種現(xiàn)象表明破損棒束入堆時間較長，棒束元件破損前氣隙內(nèi)133Xe濃度基本達到平衡，但是在沒有擾動的穩(wěn)態(tài)下出現(xiàn)破口，133Xe不會像2.3節(jié)中的那樣在短時間內(nèi)劇烈釋放，而是快速持續(xù)釋放到冷卻劑中，通常幾天后，冷卻劑133Xe濃度達到穩(wěn)定。達到穩(wěn)定的條件為133Xe釋放到冷卻劑的速率等于總消失速率時。

圖5 入堆時間較長的棒束在穩(wěn)態(tài)下破損

4 通過換料趨勢判斷破損

4.1 換料卸出破損燃料棒束

CANDU6重水堆每個燃料通道中有12個燃料棒束，正常換料采用8棒束換料方式。

如果換料結(jié)束約1 h后，GFP系統(tǒng)在線監(jiān)測到冷卻劑133Xe等其他裂變產(chǎn)物的劇烈上漲，在幾個小時后又恢復(fù)換料前的水平，如圖6所示，換料機壓差達到為10 Mpa的時間段表示在換料。這種趨勢表明，本次換料過程中，破損燃料已經(jīng)卸出堆芯。探頭探測到的133Xe濃度上漲是局部高濃度，并非冷卻劑中133Xe濃度的整體升高。133Xe的半衰期為5.3天，如果133Xe濃度整體升高，則不可能在短時間內(nèi)恢復(fù)到換料前水平。

圖6 換料卸出破損燃料棒束

4.2 破損燃料棒束移動位置但未卸出

如果換料結(jié)束約15 min后，133Xe濃度階躍上漲，在幾個小時內(nèi)沒有恢復(fù)的換料前的水平，而是維持在較高的水平，表明冷卻劑中133Xe濃度整體升高了，如圖7所示，換料機壓差達到為10 MPa的時間段表示在換料。這種133Xe變化趨勢表明換料通道內(nèi)存在破損燃料棒束，破損燃料棒束在換料過程中移動了位置，但尚未卸出堆芯。如果出現(xiàn)這種趨勢，可以對該通道再次進行換料，卸出通道中剩下的所有已輻照棒束。由于在第一次換料過程中受到劇烈擾動，破損燃料棒束中的133Xe已經(jīng)短時間劇烈釋放，第二次換料時監(jiān)測不到133Xe濃度的變化。

圖7 破損棒束移動位置但未被卸出

5 方法應(yīng)用情況

2011年以來，使用本文方法查找出5個破損通道Q14、R11、H06、F15、Q10。另外，通過本文方法確定燃耗范圍，結(jié)合DN系統(tǒng)緩發(fā)中子掃描的方法，還查找出P08和G20通道。破損棒束信息和冷卻劑133Xe濃度變化趨勢、破損原因見表1。

6 結(jié)論

根據(jù)秦山第三核電廠兩臺CANDU6重水堆十多年的運行經(jīng)驗，總結(jié)出了通過冷卻劑133Xe濃度變化趨勢定位破損燃料的方法，可以確定破損燃料所在冷卻劑環(huán)路，推測破損棒束的大致入堆時間，結(jié)合換料過程中的133Xe趨勢變化，可以確定換料通道內(nèi)是否存在破損棒束以及破損棒束是否卸出堆芯。

表1 破損燃料信息