AFA3G 燃料組件拆解修復(fù)技術(shù)研究

林锘涵 任 亮

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司科技管理處，浙江 嘉興 314300；2.中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610041）

目前，國內(nèi)大多數(shù)壓水堆核電站主要采用AFA3G系列核燃料組件，經(jīng)過不斷的設(shè)計改進(jìn)，破損率已經(jīng)低至10-5水平。 然而，對于新建電廠以及實(shí)施18 個月長周期換料、50～60 GWd/tU 的高平均卸料燃耗、 加鋰使水質(zhì)變化等情況，組件破損情況仍偶有出現(xiàn)，影響堆芯的安全性和經(jīng)濟(jì)性。 壓水堆核燃料組件的損傷主要包括燃料棒破損和燃料組件的機(jī)械損傷，針對燃料棒破損的組件[1]，通常采用替換破損組件及其對稱組件或使用啞棒修復(fù)的形式。 對比兩種形式，后者經(jīng)濟(jì)性更高。 目前，國內(nèi)組件修復(fù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少，尤其對于高燃耗組件存在空白。 因此，組件修復(fù)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對于國內(nèi)壓水堆核電廠來說，具有極大的參考價值。

1 破損燃料棒修復(fù)流程研究

1.1 破損燃料棒修復(fù)原理

國內(nèi)外通常采用不銹鋼或鋯合金啞棒替換破損燃料棒的方式進(jìn)行破損燃料組件的修復(fù)。 即在核電廠乏燃料水池或裝載井，將破損燃料組件進(jìn)行拆解，將破損燃料棒抽取貯存，替換啞棒回插到破損燃料棒位置。

有分析表明，啞棒材料的選擇各有優(yōu)劣。 綜合各方面影響，采用不銹鋼啞棒更合適，從中子學(xué)特性角度和經(jīng)濟(jì)性上看，對稍低富集度或燃耗的燃料棒修復(fù)對設(shè)計參數(shù)的影響更小[2]。

1.2 破損燃料棒修復(fù)流程

針對目前國內(nèi)通常使用的AFA3G 17×17 型燃料組件，主要由燃料骨架、上管座及264 根燃料棒組成。燃料骨架由24 根導(dǎo)向管、1 根儀表管、11 個格架（8個定位格架及3 個跨間攪混格架） 和下管座組成，因此，根據(jù)燃料組件結(jié)構(gòu)，對燃料棒的修復(fù)流程可以按以下步驟進(jìn)行。

1.2.1 拆裝前外觀檢查

燃料組件拆裝前進(jìn)行外觀檢查，檢查各層定位格架位置是否有異物、待拔取燃料表面狀態(tài)、上管座及套筒螺釘完整性。

1.2.2 上管座拆卸

使用上管座控制工具鎖定組件上管座后，在水下監(jiān)控系統(tǒng)輔助下， 用螺釘拆卸工具依次拆除和取出24 顆套筒螺釘。

將拆下的螺釘依次放入螺釘收集桶內(nèi)，將舊螺釘轉(zhuǎn)移至螺釘專用保存容器內(nèi)，使用上管座抓具取出上管座，將工具及上管座放置于工具架上暫存。

1.2.3 燃料棒拔取

通過工具定位待拔燃料棒位置，在水下監(jiān)控系統(tǒng)輔助下，確認(rèn)定位工具定位準(zhǔn)確，無明顯偏移或者錯位。

將燃料棒抽取工具插入工具定位孔，按照設(shè)定的拉拔力限值實(shí)時觀察拉拔力變化并提升破損燃料棒。當(dāng)破損燃料棒完全抽離燃料組件，將燃料棒插入指定儲存容器。

在燃料棒拔取過程中，通過導(dǎo)向板間隙對燃料棒表面狀態(tài)進(jìn)行外觀檢查。

1.2.4 不銹鋼棒復(fù)裝

使用燃料棒抽取工具取出啞棒（不銹鋼棒），通過定位工具將不銹鋼棒插入燃料組件空位。

不銹鋼棒下端頭進(jìn)入各層定位格架前，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀察不銹鋼棒與定位柵元的對中性，采用點(diǎn)動方式，緩慢下降，待不銹鋼棒下端頭通過定位柵元，則勻速繼續(xù)完成不銹鋼棒復(fù)裝。

多根需修復(fù)的單棒則重復(fù)以上步驟，在其他位置進(jìn)行燃料棒的抽取和不銹鋼棒復(fù)裝。

1.2.5 上管座復(fù)裝

使用上管座抓取工具將上管座移至燃料組件正上方接觸導(dǎo)向管表面，通過緩慢的左右前后移動將上管座恢復(fù)到位，根據(jù)套筒螺釘安裝工藝，依次安裝新螺釘，并進(jìn)行脹形。脹型完成后，對套筒螺釘進(jìn)行過規(guī)檢查，確保上管座滿足控制棒組件及可燃毒物組件配插要求。

1.2.6 復(fù)裝后檢查

組件復(fù)裝完成后，對其進(jìn)行整體外觀檢查，確認(rèn)各層定位格架無異物、復(fù)裝不銹鋼棒、上管座及套筒螺釘安裝到位，檢查完成后將燃料組件返回水池暫存。

2 拆解修復(fù)技術(shù)風(fēng)險控制研究

已輻照破損燃料組件的修復(fù)，其全部過程在水下完成且輻照后上管座螺釘、格架彈簧夾持力、燃料組件變形程度等都無法得到實(shí)際測量數(shù)據(jù)。 因此，修復(fù)過程對于關(guān)鍵參數(shù)應(yīng)當(dāng)采取保守值，以避免對燃料組件造成二次損傷。

2.1 上管座螺釘旋松力矩

根據(jù)AFA3G 燃料組件制造技術(shù)要求， 上管座螺釘在不加潤滑劑情況下， 螺釘扭矩為7.8±0.2daN·m，在拆除上管座螺釘時， 考慮水具有一定潤滑作用，同時考慮長桿操作力矩傳導(dǎo)損失，采用設(shè)計院保守計算值15N·m 作為旋松力矩。 同時，需要注意的是，在旋松過程中，需采取對稱位置、由內(nèi)到外逐一旋松，防止上管座單側(cè)旋松后傾斜，導(dǎo)致螺釘傾斜無法拆解。

在國內(nèi)某電廠燃料組件修復(fù)工作中， 通過對四組輻照3～4 個循環(huán)的燃料組件上管座的拆解， 實(shí)測數(shù)據(jù)比理論設(shè)置值更小，其螺釘擰松力矩范圍從4 N·m 至12 N·m不等，平均值在7.724 N·m，在設(shè)計預(yù)估值范圍內(nèi)，實(shí)際經(jīng)過輻照后的螺釘擰松力與理論計算基本相符。

上管座復(fù)裝時，根據(jù)螺釘安裝編號次序，依次將上管座螺釘進(jìn)行1 N·m 的初擰，確認(rèn)所有螺釘均可初擰后，進(jìn)行進(jìn)一步擰緊，設(shè)置擰緊力矩8.5 N·m，依次完成所有螺釘復(fù)裝。

2.2 乏燃料單棒抽取過程拉拔力

已輻照燃料組件，因經(jīng)過若干循環(huán)輻照后，格架彈簧的夾持力減小，抽取過程中抽取力的控制亦采用保守值。 此項(xiàng)工作開展前，已對假組件進(jìn)行模擬拆裝演練，假組件單棒的抽取依次通過8 個定位格架及3個跨間攪混格架， 抽取力的變化范圍在100～300 N。模擬過程中根據(jù)格架自下而上逐層遞減的抽取力比例，考慮浮力以及相關(guān)拔棒工具的自重因素，設(shè)置保守的抽取力。

本文選取在國內(nèi)某電廠不回堆燃料組件進(jìn)行乏燃料單棒抽取，目標(biāo)組件及燃料棒均完整，無破損情況。

通過保守預(yù)估各層拉拔力理論限值與實(shí)際拉拔力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可以明顯地發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3～4 個輻照循環(huán)以后的燃料組件，格架彈簧夾持力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于新燃料組件，其拉拔力的范圍小于理論計算值。

2.3 燃料組件變形量

單棒抽取后隨即回插啞棒，需考慮燃料組件變形量對啞棒回插的影響。 若組件變形量較大，如S 形、O形、香蕉形等，則存在啞棒回插到格架外條帶以外的風(fēng)險。 通過測量燃料組件彎曲度，定量地得到組件最大彎曲量及彎曲位置。

本文選取其中一組組件變形量測量為示例，測量結(jié)果表明燃料組件第三循環(huán)最大彎曲度小于3 mm（面2），未見明顯彎曲，燃料組件面2 整體有外凸趨勢，最大位置在第5 層大格架。

復(fù)裝用不銹鋼啞棒一般采用錐形下端頭的結(jié)構(gòu)。通過對比分析， 目標(biāo)組件最大偏移量為3.81 mm，用于復(fù)裝的不銹鋼啞棒下端頭最小半徑為0.6 mm，遠(yuǎn)小于偏移量且錐形結(jié)構(gòu)有利于在偏移的情況下順利通過格架，保證復(fù)裝工作順利。

如果組件最大偏移量過大，即超過啞棒最大半徑4.8 mm，則有回插過程超出格架外條帶的風(fēng)險，現(xiàn)場需要謹(jǐn)慎考慮實(shí)施。

3 結(jié)論

（1）本文通過對燃料組件結(jié)構(gòu)的研究，結(jié)合壓水堆現(xiàn)場實(shí)際條件，給出燃料組件拆解修復(fù)修復(fù)主要流程；（2） 本文通過研究組件拆解修復(fù)過程可能出現(xiàn)的風(fēng)險，給出修復(fù)過程中風(fēng)險點(diǎn)的控制，驗(yàn)證是保守且切實(shí)可行的；（3） 本文實(shí)施的燃料組件為高燃耗未出現(xiàn)破損的乏燃料組件，對于破口較大的乏燃料棒或燃耗較淺的燃料組件，其關(guān)鍵考慮參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況保守考慮；（4） 該技術(shù)研究已在國內(nèi)某電廠機(jī)組順利實(shí)施，完成了多根高燃耗乏燃料組件單棒的抽取與多組組件修復(fù)，安全性與可實(shí)施性良好。