核電廠燃料破損探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用分析范文

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摘要：國(guó)內(nèi)兩臺(tái)核電機(jī)組分別安裝了1套由中國(guó)原子能科學(xué)研究院研制的燃料破損在線探測(cè)系統(tǒng)（FDDS）。通過(guò)FDDS對(duì)兩臺(tái)核電機(jī)組發(fā)生燃料破損時(shí)的連續(xù)監(jiān)測(cè)和分析，表明FDDS在核電廠一回路放射性核素活度濃度在線測(cè)量及燃料破損監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了良好的作用，彌補(bǔ)了化學(xué)取樣分析方法的不足。

關(guān)鍵詞：燃料組件；燃料破損；在線監(jiān)測(cè)

核燃料組件中的燃料棒包殼是核電廠防止放射性物質(zhì)外泄的第1道也是最重要的屏障。一旦燃料棒包殼破損，放射性裂變產(chǎn)物就會(huì)釋放到一回路冷卻劑，影響核電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了掌握和評(píng)價(jià)燃料棒包殼的運(yùn)行工況和完整性，需要機(jī)組在功率運(yùn)行和啟停機(jī)期間，跟蹤監(jiān)測(cè)一回路冷卻劑中燃料破損特征核素及活度濃度水平。目前壓水堆核電廠常用的方法是定期對(duì)一回路冷卻劑取樣進(jìn)行離線實(shí)驗(yàn)室γ能譜測(cè)量（化學(xué)取樣分析）［1］。此方法的不足是取樣間隔長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量較少，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)燃料破損，而且取樣操作人員須承受較大的劑量負(fù)擔(dān)。由中國(guó)原子能科學(xué)研究院研制的燃料破損在線探測(cè)系統(tǒng)（FDDS）克服了化學(xué)取樣分析方法的不足，能自動(dòng)在線測(cè)量一回路冷卻劑中放射性核素的活度濃度變化，連續(xù)監(jiān)測(cè)燃料棒包殼的完整性和運(yùn)行狀態(tài)。本文主要介紹該系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)兩臺(tái)壓水堆核電機(jī)組的應(yīng)用與對(duì)燃料破損監(jiān)測(cè)情況的分析。

1FDDS簡(jiǎn)介

FDDS根據(jù)燃料棒包殼發(fā)生破損后，部分裂變氣體及易揮發(fā)性的裂變產(chǎn)物向一回路冷卻劑中釋放的機(jī)制，通過(guò)對(duì)釋放到一回路冷卻劑中的裂變產(chǎn)物種類和放射性活度濃度進(jìn)行在線測(cè)量與分析，來(lái)監(jiān)測(cè)燃料棒包殼是否破損［2］。FDDS由硬件設(shè)備和配套軟件組成。硬件設(shè)備主要是一套具有高分辨率、快速響應(yīng)能力的高純鍺探器測(cè)系統(tǒng)，包括γ探頭、γ譜儀、電制冷機(jī)、工控機(jī)、屏蔽體及支架等；配套軟件包括在線監(jiān)測(cè)控制程序、活度歷史分析程序、燃料破損圖1FDDS工作流程示意圖Fig．1SchematicdiagramofFDDS性狀分析程序等。FDDS對(duì)一回路冷卻劑采用非接觸的管外測(cè)量方式，F(xiàn)DDS工作流程如圖1所示。γ探頭對(duì)準(zhǔn)核電廠一回路輔助系統(tǒng)管道，連續(xù)自動(dòng)測(cè)量管道內(nèi)冷卻劑中放射性核素γ射線能譜，測(cè)量信號(hào)被送入γ譜儀進(jìn)行處理，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析與存儲(chǔ)，同時(shí)在線監(jiān)測(cè)軟件檢查一些關(guān)鍵特征核素的活度濃度，判斷是否有燃料棒發(fā)生破損。FDDS還可通過(guò)配套分析軟件對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理，以獲得更準(zhǔn)確的放射性核素活度濃度及燃料棒破損性狀分析結(jié)果。FDDS經(jīng)歷從原理樣機(jī)、試驗(yàn)樣機(jī)到定型產(chǎn)品的多年研發(fā)過(guò)程，在核電廠積累了大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際應(yīng)用表明，F(xiàn)DDS在核素測(cè)量和燃料破損監(jiān)測(cè)中優(yōu)勢(shì)明顯，能有效彌補(bǔ)化學(xué)取樣分析方法的不足。FDDS主要針對(duì)一回路冷卻劑中主要裂變產(chǎn)物特征核素活度濃度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，裂變產(chǎn)物核素種類列于表1。FDDS同時(shí)也可對(duì)表中列出的眾多活化、腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。從對(duì)放射性核素活度濃度測(cè)量的角度，F(xiàn)DDS與目前電廠普遍采用的化學(xué)取樣分析方法（γ能譜測(cè)量）相同，但FDDS監(jiān)測(cè)的破損特征核素較化學(xué)取樣分析更全面，這是因?yàn)镕DDS是實(shí)時(shí)在線測(cè)量，可監(jiān)測(cè)到較短壽命放射性核素，如87Kr、89Kr、135Xem、137Xe、138Xe、138Cs、134I，包括幾個(gè)在取樣分析中未測(cè)量的壽命極短的放射性核素（如89Kr、135Xem和137Xe），此外，其他幾個(gè)在放化分析中考慮的短壽命放射性核素（如87Kr、138Xe、138Cs和134I），由于快速衰變的原因，用目前的取樣分析方法，其測(cè)量結(jié)果也易產(chǎn)生較大的誤差。從工作方式上看，取樣分析獲取的是具有時(shí)間間隔的不連續(xù)的γ譜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較少，幾乎不可能抓住燃料破損發(fā)生時(shí)刻。當(dāng)燃料包殼剛發(fā)生破損時(shí)，在燃料棒間隙累積的氣態(tài)、易揮發(fā)放射性核素將在較短的時(shí)間內(nèi)釋放，F(xiàn)DDS通過(guò)對(duì)一回路冷卻劑中放射性核素進(jìn)行不間斷的在線監(jiān)測(cè)，記錄的譜數(shù)據(jù)文件在時(shí)間上是完全連續(xù)的。因此，F(xiàn)DDS完全能在第一時(shí)間抓住燃料破損發(fā)生的時(shí)刻，而其記錄的連續(xù)譜數(shù)據(jù)文件還可采用配套離線軟件進(jìn)行詳細(xì)分析，得到更精確的放射性核素歷史活度濃度數(shù)據(jù)，有利于進(jìn)行破損原因及破損性狀分析。

2FDDS在核電廠應(yīng)用情況

國(guó)內(nèi)壓水堆核電機(jī)組A和機(jī)組B于2016年各安裝了1套FDDS，均取得了良好的應(yīng)用效果。本文研究?jī)蓚€(gè)機(jī)組發(fā)生燃料破損時(shí)，F(xiàn)DDS對(duì)個(gè)別氣體核素和易揮發(fā)核素的跟蹤監(jiān)測(cè)情況，以及基于在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)燃料破損狀況的基本分析。

2．1機(jī)組A燃料破損監(jiān)測(cè)與分析裂變氣體核素是燃料棒包殼破損監(jiān)測(cè)的首選，因?yàn)橐坏┤剂习舭鼩こ霈F(xiàn)破損，裂變氣體最易釋放。最好的早期燃料棒包殼破損的指示是一回路冷卻劑中133Xe活度濃度的變化。任何顯著高于正常運(yùn)行時(shí)的本底水平或永久增加的穩(wěn)定水平均應(yīng)被視為可能發(fā)生了燃料破損。圖2a為FDDS對(duì)機(jī)組A一回路冷卻劑中133Xe活度濃度跟隨功率變化連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線。由圖2a可知，機(jī)組功率在前期滿功率運(yùn)行一段時(shí)間后停堆，在停堆期間監(jiān)測(cè)到133Xe活度濃度有上升趨勢(shì)，于2017年2月2日達(dá)到1930MBq／t，遠(yuǎn)超出了正常運(yùn)行的本底水平，表明可能有燃料棒出現(xiàn)了破損。而在之后功率調(diào)整及啟停堆過(guò)程中，133Xe活度濃度變化尤為復(fù)雜，反復(fù)出現(xiàn)了多次較高的峰值。經(jīng)驗(yàn)表明，燃料棒破損最好的標(biāo)志是在功率調(diào)整期間有131I峰出現(xiàn)［3］。在功率穩(wěn)定時(shí)，如果燃料棒缺陷尺寸非常小，一般不會(huì)引起碘活度濃度水平可測(cè)量的變化。而在快速的功率變化后，碘才容易從破口進(jìn)入冷卻劑，因此連續(xù)監(jiān)測(cè)很重要。如圖2b所示，通過(guò)FDDS對(duì)131I的連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在功率調(diào)整和啟停堆時(shí)，131I活度濃度均迅速升高而形成碘峰，這是明顯的堆芯存在破損燃料棒的證明。通過(guò)跟蹤135Xe活度濃度跟隨功率變化曲線，如圖2c所示，可看出135Xe的活度濃度變化趨勢(shì)與133Xe基本相似，只是數(shù)值上少很多。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)1000MW級(jí)壓水堆核電站日常運(yùn)行期間燃料破損的主要判斷依據(jù)［4］：1）一回路冷卻劑中，133Xe活度濃度＞1000MBq／t，且133Xe活度濃度／135Xe活度濃度＞3，認(rèn)為燃料包殼有破損，破口較小；2）0．9＜133Xe活度濃度／135Xe活度濃度＜3，認(rèn)為包殼破口尺寸較大。FDDS的監(jiān)測(cè)結(jié)果符合判據(jù)1，評(píng)估認(rèn)為燃料包殼破口尺寸較小。另外，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，一回路冷卻劑中裂變氣體活度濃度一般隨功率升高而增加；而在功率穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，由于凈化系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行及核素本身的衰變，氣體活度濃度一般會(huì)持續(xù)下降。但在功率調(diào)整時(shí)，無(wú)論是功率升高或降低，均可能造成裂變氣體從破口釋放量的突然增加。

2．2機(jī)組B燃料破損監(jiān)測(cè)與分析機(jī)組B的2016年6月一回路冷卻劑化學(xué)取樣結(jié)果顯示，碘和裂變氣體活度濃度均有大幅上漲，初步判斷此時(shí)有燃料棒出現(xiàn)了破損。于是在同年7月該機(jī)組安裝了1套FDDS，對(duì)一回路冷卻劑內(nèi)放射性核素特別是裂變產(chǎn)物核素進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握燃料包殼破損發(fā)展?fàn)顟B(tài)。圖3為惰性氣體總瞬時(shí)活度濃度（Σgas）和131I當(dāng)量值（131Ieq）的瞬時(shí)活度濃度跟隨機(jī)組功率變化曲線。從圖3可看出，裂變氣體和碘當(dāng)量在FDDS監(jiān)測(cè)初期活度濃度水平較高。在功率穩(wěn)定運(yùn)行后，由于凈化系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行，碘和氣體核素活度濃度皆隨時(shí)間逐漸下降。雖然碘活度濃度持續(xù)降低并維持在一個(gè)較低的水平，但氣體核素在下降過(guò)程中，于2016年12月、2017年3月和5月均出現(xiàn)了數(shù)次較明顯的快速釋放。從監(jiān)測(cè)數(shù)值上看，燃料破損早期131I、133I、133Xe的活度濃度均很高，遠(yuǎn)超過(guò)燃料組件判斷未破損的準(zhǔn)則［5］：131I、133I、133Xe活度濃度分別低于37、370、370MBq／t。根據(jù)2016年8月31日前的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)初步分析：131I／133I的活度濃度比約為0．6，所有裂變產(chǎn)物包括短壽命核素的放射性活度濃度有大的變化，評(píng)估認(rèn)為燃料棒出現(xiàn)了大的缺陷，缺陷狀態(tài)可能是開(kāi)放的小孔或裂紋。圖4a示出了長(zhǎng)壽命核素133Xe和短壽命核素88Kr活度濃度的變化趨勢(shì)對(duì)比，這種對(duì)比體現(xiàn)了缺陷的演變。如果在穩(wěn)態(tài)功率運(yùn)行條件下，133Xe活度濃度的增加伴隨著88Kr活度濃度的增加，那么可能有一個(gè)現(xiàn)有的缺陷在發(fā)展。如果133Xe的活度濃度增加而88Kr的活度濃度接近恒定，那么可假設(shè)發(fā)生了新的破損，或破口的發(fā)展非常緩慢［6］。從圖4a可看出，133Xe、88Kr同時(shí)出現(xiàn)了數(shù)次快速釋放，變化趨勢(shì)相同，表明這可能是一個(gè)現(xiàn)有缺陷狀態(tài)的發(fā)展，而不是出現(xiàn)了新的破口。此外，通過(guò)監(jiān)測(cè)短壽命核素如138Xe和134I的活度濃度變化趨勢(shì)，可反映堆芯游離鈾的釋放情況或破損是否惡化。在穩(wěn)定功率下，138Xe和134I活度濃度如果呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，這是鈾釋放和沉積在堆芯邊界內(nèi)的跡象，而階躍增加通常意味著破口尺寸的突然增加。從圖4b可知，138Xe和134I的活度濃度從早期較高水平降至較低水平后，基本保持穩(wěn)定，略有輕微增長(zhǎng)趨勢(shì)，分析認(rèn)為，從燃料包殼出現(xiàn)破損直至本循環(huán)末期破口尺寸無(wú)突然擴(kuò)大的跡象。

2．3停堆后監(jiān)測(cè)1）停堆后碘峰監(jiān)測(cè)機(jī)組停堆后，當(dāng)破損燃料棒內(nèi)的溫度降低到飽和溫度以下，進(jìn)入燃料棒內(nèi)的液態(tài)水會(huì)溶解氣隙內(nèi)的可溶性碘，導(dǎo)致一回路冷卻劑中出現(xiàn)碘峰現(xiàn)象。在機(jī)組大修時(shí)，需首先確定停堆后一回路出現(xiàn)碘峰的大小和時(shí)間，為一回路解密封前的凈化時(shí)間提供參考。由于關(guān)系到大修主線，所以對(duì)碘峰的監(jiān)測(cè)十分重要。之前碘峰監(jiān)測(cè)主要依賴化學(xué)取樣分析。由于取樣分析周期長(zhǎng)，不能及時(shí)提供數(shù)據(jù)供運(yùn)行人員決策，且取樣頻繁會(huì)給化取人員帶來(lái)較大工作量和劑量負(fù)擔(dān)。核電機(jī)組安裝FDDS后，通過(guò)對(duì)碘同位素活度濃度變化進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，可及時(shí)、準(zhǔn)確獲取碘峰出現(xiàn)的時(shí)間和大小，減少化取頻次，提高放化監(jiān)測(cè)工作效率，為大修主線節(jié)省時(shí)間。圖5為機(jī)組B停堆后FDDS碘峰監(jiān)測(cè)曲線。結(jié)果顯示，碘峰出現(xiàn)在機(jī)組停堆后約6h后，對(duì)碘峰的主要貢獻(xiàn)是半衰期較長(zhǎng)的核素131I和133I，各約占總碘活度濃度的71％和26％。2）停堆后銫的監(jiān)測(cè)破損燃料棒的燃耗水平可通過(guò)冷卻劑中134Cs／137Cs活度濃度比來(lái)評(píng)估。由于反應(yīng)堆在穩(wěn)定功率運(yùn)行時(shí)，裂變產(chǎn)物中的銫僅有一小部分能釋放到冷卻劑中，所以最好使用功率顯著減少后監(jiān)測(cè)到的銫活度濃度峰值比來(lái)計(jì)算。FDDS對(duì)機(jī)組B停堆后一回路冷卻劑中134Cs、137Cs的活度濃度進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，如圖6所示，并利用134Cs、137Cs活度濃度峰值比計(jì)算得出破損燃料棒的燃耗，與之后燃料組件啜漏檢查出的破損組件的卸載燃耗相符性較好。

3結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)FDDS在國(guó)內(nèi)壓水堆核電機(jī)組的應(yīng)用與對(duì)燃料破損監(jiān)測(cè)情況的分析，表明FDDS在一回路冷卻劑核素在線測(cè)量、燃料組件破損監(jiān)測(cè)以及大修停堆后碘峰和銫的測(cè)量中發(fā)揮了良好作用；2）采用FDDS可大幅降低核電廠化學(xué)取樣分析工作量，彌補(bǔ)現(xiàn)有取樣分析方法的不足，獲取連續(xù)、豐富的放射性核素在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可為核電廠進(jìn)行燃料組件堆內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)的分析和診斷創(chuàng)造良好的條件。

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作者：徐西安 季松濤 楊毅 單位：中國(guó)原子能科學(xué)研究院