壓水堆核電站乏燃料元件γ掃描測(cè)量

朱欣欣，章安龍，王 鑫，王華才，梁政強(qiáng)

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413；2.大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518124)

燃料元件包殼是核電站防止放射性物質(zhì)外泄的第二道也是最重要的屏障，一旦燃料元件包殼破損，放射性裂變產(chǎn)物就會(huì)進(jìn)入一回路冷卻劑，給運(yùn)行安全帶來(lái)較大的影響。燃料元件破損原因分析一直是業(yè)界十分關(guān)注的課題，目的就是進(jìn)一步提高燃料元件的安全性能，因此對(duì)核電站安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。

在燃料元件輻照后熱室檢查中，γ掃描測(cè)量作為無(wú)損檢測(cè)手段之一，可獲得燃料輻照行為的相關(guān)信息[1]，包括燃料芯塊堆積高度、芯塊-芯塊界面定位、芯塊-芯塊間隙大小評(píng)定、揮發(fā)性裂變產(chǎn)物遷移、破損元件燃料缺失、元件軸向燃耗分布等。此前國(guó)內(nèi)完成的大量燃料元件輻照后檢驗(yàn)中，檢驗(yàn)的對(duì)象均為完整燃料元件，因此γ掃描的結(jié)果多用于評(píng)價(jià)相對(duì)燃耗分布等宏觀(guān)性能。近期，中國(guó)原子能科學(xué)研究院承擔(dān)了某壓水堆核電站破損燃料元件的熱室檢查。本次檢驗(yàn)中，擬利用137Cs核素易揮發(fā)的特性，通過(guò)γ掃描的方法獲取破損元件137Cs分布及遷移流失情況、相鄰?fù)暾S向相對(duì)燃耗分布等重要數(shù)據(jù)，以篩查破口位置，為燃料元件破損原因分析及堆內(nèi)行為分析提供依據(jù)。

1 γ掃描測(cè)量裝置和測(cè)量方法

1.1 測(cè)量裝置

圖1 γ掃描測(cè)量裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of gamma scanning device

γ掃描測(cè)量裝置布置示于圖1。該裝置主要由以下幾部分組成：1) 燃料元件及其傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置將燃料元件傳送至準(zhǔn)直器狹縫處，并精確定位，完成整根元件棒的軸向掃描測(cè)量；2) 準(zhǔn)直器，鉛準(zhǔn)直器裝在不銹鋼套管中，熱室內(nèi)的準(zhǔn)直器狹縫寬度為0.5 mm，位于探測(cè)器前的狹縫寬度為1 mm；3) γ譜儀系統(tǒng)，該系統(tǒng)的探測(cè)器為CANBERRA公司生產(chǎn)的GC4018型P型同軸HPGe探測(cè)器，安裝在熱室前區(qū)，獲取數(shù)據(jù)用的多道分析器為8 192道；4) 在熱室內(nèi)準(zhǔn)直器周?chē)吞筋^周?chē)惭b有鉛屏蔽，以減少本底γ射線(xiàn)對(duì)測(cè)量的影響。

1.2 測(cè)量方法

1) 燃料元件相對(duì)燃耗分布測(cè)量

對(duì)于完整元件，以137Cs為燃耗監(jiān)測(cè)體[2-3]，移動(dòng)燃料元件，使準(zhǔn)直器狹縫對(duì)準(zhǔn)燃料元件軸向不同位置進(jìn)行γ掃描測(cè)量，解譜獲得Eγ(137Cs)=661 keV能量處的峰凈面積(計(jì)數(shù))，除以各點(diǎn)測(cè)量活時(shí)間后得到137Cs計(jì)數(shù)率。在整根元件上共取近300個(gè)點(diǎn)，以得到整根元件上137Cs放出的γ射線(xiàn)強(qiáng)度的相對(duì)分布，即燃料元件軸向相對(duì)燃耗分布。為便于各元件之間的比較，137Cs計(jì)數(shù)率均根據(jù)燃料元件冷卻時(shí)間換算到出堆時(shí)刻的計(jì)數(shù)水平。

2) 破損元件Cs遷移

采用與1)相同的測(cè)量方法獲得破損元件軸向137Cs分布，得到燃料段Cs的遷移情況，在存在Cs向冷卻劑流失的情況下，通過(guò)與相鄰元件對(duì)比或完整元件137Cs計(jì)數(shù)率與燃耗的關(guān)系，計(jì)算得到燃料段Cs的流失水平。

3) 燃料缺失

燃料元件破口處可通過(guò)低揮發(fā)性核素154Eu的計(jì)數(shù)水平判斷燃料是否缺失[4-5]，根據(jù)137Cs軸向分布、外觀(guān)檢查、X光照相結(jié)果，對(duì)破損元件破口處及周邊進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，得到154Eu分布情況，從而驗(yàn)證并獲得燃料缺失情況。

2 測(cè)量結(jié)果與分析

4根完整元件及4根破損元件的相關(guān)信息列于表1，其中W代表完整元件，P代表破損元件，W1與P2為同一燃料組件中相鄰元件，W3與P4為相鄰元件，相鄰元件具有相近的功率運(yùn)行史及燃耗，其余元件來(lái)自于不同組件。

2.1 137Cs軸向分布

4根完整元件棒的137Cs軸向分布曲線(xiàn)示于圖2。橫坐標(biāo)0 mm處為燃料元件下端燃料活性區(qū)起始點(diǎn)。燃耗總體呈兩端低、中間平坦式分布，與堆內(nèi)中子注量分布相關(guān)。

表1 乏燃料元件相關(guān)信息Table 1 Information of spent fuel element

圖2 4根完整元件137Cs軸向分布Fig.2 137Cs axial distribution of 4 intact fuel elements

圖3 4根破損元件的137Cs軸向分布Fig.3 137Cs axial distribution of 4 failed fuel elements

4根破損元件的137Cs軸向分布示于圖3，其中破損元件P4的137Cs軸向分布示于圖4。與完整元件相比，破損元件均存在不同程度的Cs遷移流失。與外觀(guān)檢查比對(duì)發(fā)現(xiàn)，在破損位置，137Cs計(jì)數(shù)率降低，以燃料包殼軸向產(chǎn)生多處破口的破損元件P4為例(圖4)，137Cs計(jì)數(shù)率曲線(xiàn)上的每個(gè)低谷均與1個(gè)破口相對(duì)應(yīng)，因此可通過(guò)γ掃描輔助破口定位，對(duì)其中距底端3 120 mm處破口采用1 mm間隔測(cè)量，結(jié)果示于圖5。由圖5可見(jiàn)，破口處137Cs計(jì)數(shù)降低區(qū)域?qū)挾燃s10 mm。建議在對(duì)破損元件檢驗(yàn)時(shí)，γ測(cè)量掃描間隔按不大于2 mm進(jìn)行測(cè)量。

圖4 破損元件P4的137Cs軸向分布Fig.4 137Cs axial distribution of P4

圖5 P4元件距底端3 120 mm破口處137Cs分布Fig.5 137Cs distribution at failed position(3 120 mm above bottom) of P4

2.2 Cs遷移

由圖3可見(jiàn)，破損元件P1在1 200 mm處存在Cs流失，破損元件P2在3 000 mm處存在Cs流失，其余位置未見(jiàn)明顯Cs遷移，與外觀(guān)檢驗(yàn)破損位置相對(duì)應(yīng)。

破損元件P3在400～3 200 mm范圍內(nèi)，137Cs大量流失，外觀(guān)檢查表明，距底端980 mm處有一較大破口，為Cs向冷卻劑流失的主要通道，向兩邊Cs呈梯度分布。在0～800 mm范圍，存在部分突高點(diǎn)，因此采用2 mm間隔掃描，結(jié)果示于圖6。由圖6可見(jiàn)，137Cs計(jì)數(shù)出現(xiàn)峰值，兩峰值間的間隔恰好為1個(gè)芯塊高度，根據(jù)Cs的冷端遷移特性[6]分析認(rèn)為，在此區(qū)域Cs向芯塊間隙遷移聚集。在全棒軸向掃描中，距底端3 685 mm處仍存在137Cs計(jì)數(shù)，且呈升高趨勢(shì)，與其他7根元件燃料區(qū)長(zhǎng)度對(duì)比表明，Cs已向彈簧氣腔段遷移沉積。

破損元件P4由于存在多處破口，在800～3 400 mm范圍內(nèi)137Cs存在明顯遷移，從破口處進(jìn)入冷卻劑中，Cs均勻流失形成平坦式分布。與相鄰燃耗相近的完整元件W3對(duì)比表明，上下兩端Cs的遷移情況與W3的相似。

圖6 P3元件2 mm間隔測(cè)量結(jié)果Fig.6 Measurement result of P3 with 2 mm interval

圖7 137Cs平均計(jì)數(shù)率與燃耗的關(guān)系Fig.7 Relationship between average 137Cs count rate and fuel burnup

根據(jù)137Cs軸向分布曲線(xiàn)，通過(guò)對(duì)全棒137Cs計(jì)數(shù)率積分后除以燃料區(qū)長(zhǎng)度，可得到全棒137Cs平均計(jì)數(shù)率，8根燃料元件平均137Cs計(jì)數(shù)率與燃耗的關(guān)系示于圖7。由圖7可見(jiàn)，4根完整元件之間具有很好的線(xiàn)性關(guān)系，y=0.840 81+1.383 84x，R2=0.999 98，4根破損元件因Cs的遷移流失，存在不同程度的線(xiàn)性偏離。根據(jù)完整元件線(xiàn)性擬合公式計(jì)算得到，破損元件P1的Cs流失量為4.5%，P2流失3.6%，P3流失27.5%，P4流失20.9%，Cs的流失水平與元件棒線(xiàn)功率、破損情況及破損后運(yùn)行時(shí)間等有關(guān)。

蒲治宇(1997-)，男，四川工商學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院學(xué)生，主要研究方向?yàn)樵朴?jì)算、大數(shù)據(jù)及計(jì)算機(jī)算法理論。E-mail:969308497@qq.com；

對(duì)于相鄰元件W3、P4，由于燃耗較高，在軸向137Cs分布測(cè)量中，同時(shí)獲得了滿(mǎn)足一定統(tǒng)計(jì)誤差的134Cs計(jì)數(shù)，采用內(nèi)部效率自刻度[7]，得到了134Cs/137Cs原子比。134Cs是裂變碎片中子俘獲的結(jié)果，其生成量與中子注量的平方呈正比，134Cs/137Cs比值與中子注量近似呈正比，與燃耗也近似呈正比。W3軸向134Cs/137Cs原子比分布示于圖8。由圖8可見(jiàn)，完整元件W3的134Cs/137Cs原子比軸向分布與137Cs軸向分布趨勢(shì)一致，說(shuō)明134Cs/137Cs比同樣適用于燃料元件軸向相對(duì)燃耗分布的表征。

圖8 完整元件W3軸向134Cs/137Cs原子比分布Fig.8 Axial 137Cs and 134Cs/137Cs atomic ratio distribution of intact element W3

圖9 相鄰元件W3、P4的134Cs /137Cs原子比軸向分布Fig.9 134Cs /137Cs atomic ratio axial distribution of sibling element of W3 and P4

2.3 燃料缺失測(cè)量

為得到滿(mǎn)足一定統(tǒng)計(jì)誤差的154Eu計(jì)數(shù)，需要測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)，因此選取了部分破口處進(jìn)行測(cè)量。破損元件P2，對(duì)距底端2 997 mm處破口，在破口處及其兩端取3點(diǎn)(2 970、2 997、3 012 mm)分別進(jìn)行1 h測(cè)量，137Cs、154Eu計(jì)數(shù)分布如圖10所示。破損位置易揮發(fā)性核素Cs流失明顯，低揮發(fā)性核素154Eu未發(fā)現(xiàn)有明顯下降，因此初步推斷破口處燃料芯塊基本沒(méi)有缺失，只有易揮發(fā)性裂變產(chǎn)物流失，與X光照相檢查結(jié)果相一致。

圖10 元件P2破口處長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量Fig.10 Measurement at failed position of P2

破損元件P4，對(duì)距底端3 120 mm處破口，在破口位置及兩端5個(gè)位置(3 020、3 090、3 120、3 150、3 220 mm) 分別進(jìn)行1 h測(cè)量，137Cs、154Eu計(jì)數(shù)分布如圖11所示。破損位置易揮發(fā)性核素Cs流失明顯，低揮發(fā)性核素154Eu未發(fā)現(xiàn)有明顯下降，因此初步推斷破口處燃料芯塊基本沒(méi)有缺失，只有易揮發(fā)性裂變產(chǎn)物流失，與X光照相檢查結(jié)果相一致。

圖11 元件P4破口處長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量Fig.11 Measurement at failed position of P4

破損元件P1的X光照相結(jié)果顯示，在距底端1 193 mm處破口存在燃料缺失，缺失處位于芯塊端部，如圖12a所示。在137Cs計(jì)數(shù)最低位置找到芯塊間隙，分別在間隙處+1、+6.5、+12 mm處(燃料缺失芯塊的兩端及中間)進(jìn)行5、1、1 h測(cè)量，1 274 keV能量峰凈計(jì)數(shù)分別為1 170、275、282，換算為1 h計(jì)數(shù)率如圖12b所示，燃料缺失處低揮發(fā)性核素154Eu計(jì)數(shù)下降，較其他兩處下降約16%。

圖12 元件P1破口處長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量Fig.12 Measurement at failed position of P1

3 結(jié)論

2) 破損元件破口處存在137Cs計(jì)數(shù)突變(降低)，因此可通過(guò)軸向γ掃描輔助破口位置定位，破口處137Cs計(jì)數(shù)降低區(qū)域?qū)挾燃s10 mm，建議對(duì)破損燃料元件測(cè)量時(shí)掃描間隔不大于2 mm。

3) 燃料元件破損后，存在Cs流失的情況下，破損元件134Cs/137Cs原子比分布與相鄰?fù)暾疽恢?，表?34Cs、137Cs流失比例近似相等，可用134Cs/137Cs原子比表征其相對(duì)燃耗分布。

4) 破口處可通過(guò)低揮發(fā)性核素154Eu計(jì)數(shù)水平判斷燃料芯塊是否缺失及缺失程度。

以上結(jié)果可為燃料元件破損原因分析及堆內(nèi)行為分析提供重要依據(jù)。