壓水堆乏燃料元件包殼表面氧化膜厚度測量技術(shù)研究

羅曼

摘? 要：在壓水堆中，核燃料元件長期受高溫、高壓、高輻照等環(huán)境影響，其外包殼表面會形成黑色致密氧化膜。氧化膜會降低燃料元件的熱交換能力，使燃料性能惡化，影響反應(yīng)堆安全運行。為完成秦山一期燃料元件輻照后檢驗工作，首次在國內(nèi)熱室中，運用渦流方法對乏燃料元件進(jìn)行了全尺寸氧化膜厚度測量研究。該文介紹了在熱室中通過遠(yuǎn)程控制測量裝置對秦山一期的8根乏燃料元件進(jìn)行的渦流氧化膜厚度測量工作，所得測量結(jié)果準(zhǔn)確度較高，可以認(rèn)為該方法是研究全尺寸乏燃料元件表面氧化膜厚度的較好方法之一。

關(guān)鍵詞：乏燃料棒? 氧化膜測厚? 渦流技術(shù)? 熱室? 壓水堆

中圖分類號：TL292? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（c）-0063-04

Research on Measurement Technique of Oxide Film Thickness on Surface of Spent Fuel Element in PWR

LUO Man

（China Institute of Atomic Energy， Beijing， 102413? China）

Abstract： In the Pressurized Water Reactor（PWR）， fuel elements are in the condition of high temperature， high pressure and high irradiation. And a dense black oxide film can be formed on the surface of the fuel rod cladding. The oxidation film will reduce the heat exchange capacity of fuel road， worsen the property of fuel element and influence the safety of the reactor. In order to complete the post-irradiation inspection of Qinshan PhaseⅠNPP fuel elements， for the first time in a domestic hot cell， a full-scale oxide film thickness measurement study is done by using eddy current methods. In this paper， a nondestructive eddy-current is used to measure oxide film thickness on the 8 fuel rods of Qinshan Phase Ⅰ NPP fuel elements. The obtained measurement results are highly accurate， and this method can be considered as one of the better methods for studying the thickness of the oxide film on the surface of the full-scale spent fuel element.

Key Words： Spent fuel rod; Oxide film thickness measurement; Eddy-current technique; Hot cell; PWR

“壓水堆燃料組件輻照后檢驗研究[1]”是《壓水堆核電站中國先進(jìn)燃料組件研制》項目的重要課題之一，其目的是通過秦山核電廠燃料棒輻照后檢驗，獲取輻照后燃料棒結(jié)構(gòu)、性能變化數(shù)據(jù)，驗證國產(chǎn)燃料組件的設(shè)計和制造工藝的合理性和可靠性，積累壓水堆燃料棒輻照性能數(shù)據(jù)。將檢驗結(jié)果反饋到燃料設(shè)計、制造和運行部門，為改進(jìn)燃料組件制造工藝、提高國產(chǎn)化制造水平、加深燃耗提供依據(jù)。

壓水堆燃料組件輻照后檢驗研究中，重要工作之一就是對乏燃料棒進(jìn)行氧化膜厚度測量。這是由于燃料棒包殼管在堆內(nèi)高溫、輻照環(huán)境中會發(fā)生腐蝕，在其外表面形成氧化膜。由于氧化膜的存在，包殼表面與冷卻劑之間的熱阻會增大，燃料組件的熱交換能力會降低，使反應(yīng)堆存在潛在安全風(fēng)險。

1? 測量背景

秦山一期燃料組件由燃料棒、上管座、下管座、彈性定位格架、控制棒導(dǎo)向管、通量測量管等組成[2]，有20根控制棒導(dǎo)向管，204根燃料棒，1根中子通量測量管，8個定位格架。燃料棒由二氧化鈾陶瓷芯塊及經(jīng)過冷加工和消除應(yīng)力的Zr-4包殼組成，包殼厚度為0.7 mm，燃料棒外徑為Ф10 mm，燃料棒總長度為3200 mm，燃耗參數(shù)見表1。

2? 實驗情況

2.1 實驗前準(zhǔn)備

利用渦流檢測中的提離效應(yīng)[3-5]，當(dāng)探頭線圈距被測導(dǎo)體之間的距離發(fā)生變化時，探頭線圈阻抗發(fā)生變化，根據(jù)線圈信號的變化，測出氧化膜厚度，同時通過線圈沿軸向移動的距離確定氧化膜厚度分布情況。將燃料棒固定于熱室[6]內(nèi)的卡盤和支架上，以保證檢測時燃料棒可平穩(wěn)穿過渦流檢查探頭架，掃查速度和掃查間距均可自動控制，如圖1所示。

檢測前先采用厚度為12 μm、15 μm、20 μm、30 μm、50 μm、65 μm、80 μm的聚酯膜為標(biāo)準(zhǔn)，利用渦流儀對其相應(yīng)幅值進(jìn)行測量，對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得幅值與膜厚之間的關(guān)系曲線[3]，如圖3所示。利用65 μm、80 μm膜對標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行驗證，測量誤差在±5 μm以內(nèi)。

（1）

（2）

其中，x軸為測幅值，y軸為膜厚度值，R為離散度。

2.2 檢查結(jié)果

以乏燃料棒1號為例，在熱室內(nèi)多功能臺架上利用渦流儀及所制作的標(biāo)準(zhǔn)曲線對燃料棒從距離底端

48 mm，采樣間隔1 mm，進(jìn)行0°、90°、180°、270°這4個方向的氧化膜厚度測量，并根據(jù)測量結(jié)果可繪制全尺寸氧化膜厚度曲線，同時在圖中標(biāo)出格架位置，具體見圖2。其余乏燃料棒按照相同方式進(jìn)行測量。

全部測量結(jié)束后，將所測8根乏燃料棒氧化膜厚度測量結(jié)果分別按照格架分布進(jìn)行整理，相關(guān)結(jié)果見圖3。其中，間隔1氧化膜厚度為第一層格架與第二層格架范圍內(nèi)氧化膜厚度平均值，后續(xù)間隔以此類推。

由圖2、圖3可知，8根燃料棒從第一層格架開始氧化膜厚度逐漸增大，在第五層格架與第七層格架之間氧化膜厚度達(dá)到最大，第七層格架后氧化膜厚度逐漸降低，格架附近氧化膜厚度均有一定程度下降。氧化膜厚度“陰陽面”不明顯，四條母線的氧化膜厚度差異在5 μm左右，基本在測量誤差范圍內(nèi)。根據(jù)表1中的組件燃耗情況，由圖5可看出，乏燃料棒氧化膜厚度與燃耗深度基本呈現(xiàn)正相關(guān)性。

文獻(xiàn)[7]中報道氧化膜厚度與燃耗之間的關(guān)系見圖4、圖5所示，由兩圖數(shù)據(jù)可以看出，所測量結(jié)果與文獻(xiàn)報道一致。與金相檢查數(shù)據(jù)對比后，該方法結(jié)果準(zhǔn)確[8]。

3? 結(jié)語

這是我國國內(nèi)首次在熱室中對秦山一期核電站乏燃料棒包殼氧化膜厚度進(jìn)行全尺寸測量研究，針對8根乏燃料棒的測量結(jié)果，與國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)報道一致。該次測量工作填補(bǔ)了國內(nèi)對燃料棒氧化膜厚度檢測的空白，為今后開展各項測量研究工作打下了基礎(chǔ)。為核材料、核燃料制造產(chǎn)業(yè)提供可靠數(shù)據(jù)，有利于我國核燃料制造業(yè)的發(fā)展，對實現(xiàn)我國燃料技術(shù)自主化有重大意義。

參考文獻(xiàn)

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