福清核電站1、2號機組首循環(huán)燃料組件破口當(dāng)量判斷

范柄辰，張 軍，葉張瀚，曹 剛

(福建福清核電有限公司，福建 福清 350318)

壓水堆核電廠通過核燃料(燃料芯塊)與中子發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生熱能，燃料包殼是包容這些放射性裂變產(chǎn)物的第一道安全屏障。一旦燃料包殼發(fā)生破損，裂變產(chǎn)物就會進(jìn)入到冷卻劑中，造成環(huán)境劑量率升高，人員輻照增加，嚴(yán)重情況下機組需要依據(jù)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行后撤甚至停堆。在機組換料大修期間，M310機組通過燃料操作與貯存系統(tǒng)(以下簡稱PMC系統(tǒng))的在線啜吸裝置初步篩選出可疑燃料組件和破損燃料組件，通過PMC系統(tǒng)離線啜吸裝置確認(rèn)破損燃料組件并計算破損組件的破口當(dāng)量，原則上破口當(dāng)量大于35 μm的燃料組件不再入堆復(fù)用。

1 離線啜吸裝置的原理

離線啜吸裝置將燃料組件放置在啜吸室內(nèi)，通過水回路和氣回路對啜吸室內(nèi)的水氣進(jìn)行循環(huán)，裝置原理圖見圖1，通過兩次升溫使燃料包殼內(nèi)的壓力升高，如果燃料包殼有破損，則裂變產(chǎn)物就會從燃料包殼內(nèi)部向啜吸室釋放，當(dāng)燃料包殼內(nèi)部的壓力與啜吸室內(nèi)的壓力相同時即達(dá)到了平衡。根據(jù)氣回路NaI譜儀連續(xù)監(jiān)測的133Xe釋放動力學(xué)曲線(見圖2)，通過133Xe第一次升溫平衡時間T1和第二次升溫平衡時間T2，即可判斷燃料的破口當(dāng)量。通過人工取樣離線監(jiān)測水回路中的水溶性裂變產(chǎn)物含量。

圖1 離線啜吸裝置原理圖Fig.1 Schematic of off-line sipping device

圖2 典型的133Xe釋放動力學(xué)曲線Fig.2 Typical 133Xe release kinetics curve

2 離線啜吸裝置的試驗條件

升溫速率和兩次升溫的平臺溫度對裂變產(chǎn)物從燃料包殼破口處釋放的速率影響較大。為確保不同破損燃料組件的升溫平衡時間具有可比性，升溫速率需維持在1 ℃/min或2 ℃/min。針對不同乏燃料貯存池(以下簡稱乏池)的水溫，第一溫度平臺和第二溫度平臺需采用表1中的溫度。

福清核電站101大修和201大修期間離線啜吸裝置的升溫速率為2 ℃/min，101大修采用了72 ℃和88 ℃的溫度平臺，201大修采用了55 ℃和80 ℃的溫度平臺，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表2。

表1 針對不同乏池的水溫，第一、第二溫度平臺需采用下表中的溫度 Table 1 Temperature for different water temperatures, the first temperatures platform and the second temperature platform

表2 福清核電站1、2號機組離線啜吸裝置的試驗條件

3 破損燃料組件破口當(dāng)量的判斷

3.1 破損燃料組件釋放的介質(zhì)類型

由于破損燃料包殼內(nèi)部存在液體冷卻劑和氣體裂變產(chǎn)物，根據(jù)燃料包殼內(nèi)液位與破口的相對位置，升溫后釋放的介質(zhì)可能是液體、氣體或先液體后氣體，示意圖見圖3。不同類型介質(zhì)的釋放速率不同，判斷破損燃料組件的破口當(dāng)量，首先要確認(rèn)其釋放的介質(zhì)類型。

圖3 破損燃料釋放介質(zhì)的示意圖Fig.3 Schematic of damaged fuel release medium

熱中子裂變反應(yīng)會產(chǎn)生大量的放射性裂變產(chǎn)物，主要包括Xe等氣體裂變產(chǎn)物，131I及其同位素，Cs的放射性同位素等。其中133Xe主要存在于氣體中，131I、134Cs和137Cs主要存在于液體中。因此通過水回路人工取樣監(jiān)測131I、134Cs和137Cs的比活度，同時結(jié)合133Xe釋放動力學(xué)曲線是否有氣-液轉(zhuǎn)換的突躍，即可判斷升溫期間釋放的介質(zhì)類型。

假設(shè)升溫前人工取樣分析131I，134Cs+137Cs的比活度分別為WS0，WS0′；第一溫度平臺人工取樣分析131I，134Cs+137Cs的比活度分別為WS1，WS1′；第二溫度平臺人工取樣分析131I，134Cs+137Cs的比活度分別為WS2，WS2′。如果WS1/WS0≈1或WS1′/WS0′≈1，則主要存在于液體中的裂變產(chǎn)物基本沒有釋放，第一次升溫期間只有氣體釋放。如果WS1/WS0?1和WS1′/WS0?1，則主要存在于液體中的裂變產(chǎn)物有部分釋放，如果133Xe釋放動力學(xué)曲線有氣-液轉(zhuǎn)換的突躍，則第一次升溫期間釋放的介質(zhì)是先液體后氣體；如果133Xe釋放動力學(xué)曲線沒有氣-液轉(zhuǎn)換的突躍，則第一次升溫期間釋放的介質(zhì)是液體。同理推知WS2/WS1≈1或WS2′/WS1′≈1，第二次升溫期間只有氣體釋放；如果WS1/WS0?1和WS1′/WS0′?1，第二次升溫期間釋放的介質(zhì)類型可能是液體，也有可能是先液體后氣體，具體結(jié)合133Xe釋放動力學(xué)曲線是否有氣-液轉(zhuǎn)換的突躍來判斷。福清核電站101大修和201大修破損燃料組件水回路取樣結(jié)果和133Xe釋放動力學(xué)曲線見表3、表4和圖4～圖6。

表3 福清核電站1、2號機組破損燃料組件各溫度平臺的131I比活度

表4 福清核電站1、2號機組破損燃料組件各溫度平臺的134Cs+137Cs比活度

注：正常組件因燃料包殼完整無破損，其試驗結(jié)果與無組件本底的數(shù)據(jù)基本一致；同時每組疑似組件試驗結(jié)束后，都需要對離線啜吸裝置的水回路和氣回路進(jìn)行沖洗檢測，確保離線啜吸裝置無沾污。因此為提升離線啜吸試驗的效率，本底值通常采用無組件本底的數(shù)據(jù)。

圖4 福清核電站1、2號機組破損燃料組件YQF03G的133Xe釋放動力學(xué)曲線Fig.4 133Xe release kinetics curve of the damaged fuel assembly YQF03G of Fuqing 1 and 2

圖5 福清核電站1、2號機組破損燃料組件YQF04G的133Xe釋放動力學(xué)曲線Fig.5 133Xe release kinetics curve of the damaged fuel assembly YQF04G of Fuqing 1 and 2

圖6 福清核電站1、2號機組破損燃料組件YQF059的133Xe釋放動力學(xué)曲線Fig.6 133Xe release kinetics curve of the damaged fuel assembly YQF059 of Fuqing 1 and 2

對于破損燃料組件YQF03G、YQF04G和YQF059，WS1/WS0?1和WS1′/WS0′?1，有可能是液體釋放，也可能是先液體后氣體釋放，結(jié)合圖4～圖6的133Xe釋放動力學(xué)曲線，破損組件YQF04G在第一次升溫期間133Xe的比活度有一個明顯的突躍，因此判斷其是先液體釋放后氣體釋放，而破損燃料組件YQF03G和YQF059在第一次升溫過程中主要是液體釋放；WS2/WS1≈1和WS2′/WS1′≈1，因此,第二次升溫期間主要是氣體釋放。福清核電站1、2號機組破損燃料組件升溫期間釋放的介質(zhì)類型見表5。

表5 福清核電站1、2號機組破損燃料組件升溫期間釋放的介質(zhì)類型

3.2 破損燃料組件破口當(dāng)量的判斷

S.I.G.給出了一系列133Xe釋放動力學(xué)曲線，可通過查閱133Xe釋放動力學(xué)曲線判斷破口當(dāng)量。較為繁瑣的曲線給實際應(yīng)用帶來了一定的困難，為簡化使用難度，從中提取了兩個溫度平臺的平臺溫度、升溫速率、釋放的介質(zhì)類型和升溫平衡時間等關(guān)鍵參數(shù)，制作了破損燃料組件破口當(dāng)量與133Xe平衡時間關(guān)系，見表6。給出了破口當(dāng)量為10 μm、15 μm、20 μm、25 μm，釋放介質(zhì)為氣體的133Xe升溫平衡時間。給出了破口當(dāng)量15～45 μm，間隔為5 μm的釋放介質(zhì)為液體的133Xe升溫平衡時間。因此依據(jù)離線啜吸試驗結(jié)果，最終給出的破口當(dāng)量也是一個范圍。假設(shè)破損燃料組件的破口當(dāng)量為Φ，當(dāng)某破損燃料第一次升溫的平衡時間T1大于已知破口當(dāng)量ΦA(chǔ)的升溫平衡時間TA，T1小于已知破口當(dāng)量ΦB的升溫平衡時間TB，則該燃料的破口當(dāng)量ΦB<Φ<ΦA(chǔ)，同理推知升溫平衡時間為T2某破損燃料的破口當(dāng)量，然后求上述兩個破口當(dāng)量的并集。

參照表7，對于破損燃料YQF03G，其兩個溫度平臺分別為72 ℃和88 ℃，升溫速率為2 ℃/min，第一次升溫釋放的是液體，T1為28 min，對照表6中序號為8的133Xe升溫平衡時間，破口當(dāng)量在35～40 μm；第二次升溫釋放的是氣體，T2為13 min，對照表6中序號為4的133Xe升溫平衡時間，T2?破口當(dāng)量為25 μm的平衡時間，表中未給更大破口燃料組件的平衡時間，因此以第一次平衡時間為準(zhǔn)，判斷破口當(dāng)量為35～40 μm。對于破損燃料YQF03G，由于其第一次升溫期間釋放的介質(zhì)是先液體后氣體，因此判斷其破口當(dāng)量時以第二次升溫平衡時間來判斷，其破口當(dāng)量為20～25 μm。同理推知破損燃料YQF059的破口當(dāng)量為25～35 μm。

表6 破損燃料組件破口當(dāng)量與133Xe升溫平衡時間關(guān)系表

表7 福清核電站1、2號機組破損燃料組件的升溫平衡時間

4 結(jié)論

福清核電站1、2號機組首循環(huán)期間燃料組件均出現(xiàn)破損的情況，通過離線啜吸試驗，摸索出了一套標(biāo)準(zhǔn)化的判斷方法，給出了破損燃料組件的破口當(dāng)量，為后續(xù)M310和“華龍一號”堆型破損燃料組件破口當(dāng)量的判斷提供了依據(jù)，具體的試驗方法如下：

1)選擇合適的離線啜吸試驗條件，依據(jù)乏池溫度選擇合適的溫度平臺，同時確保升溫速率維持在1 ℃/min或2 ℃/min。

2)通過人工取樣分析升溫前后的131I，134Cs和137Cs的比活度，結(jié)合133Xe釋放動力學(xué)曲線來判斷破損燃料組件釋放的介質(zhì)類型。

3)依據(jù)平臺溫度、升溫速率及釋放介質(zhì)類型，結(jié)合133Xe的升溫平衡時間，對照破損燃料組件破口當(dāng)量與133Xe升溫平衡時間關(guān)系表，即可給出破損燃料組件的破口當(dāng)量。