核电厂核燃料组件制造中的质量管理实践

朱玉隆 石中华 陈凤杰

（中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴314300）

0 引言

目前， 秦山地区已有7 台核电机组正在商运。 截至2014 年4 月30 日，秦二厂所有入堆核燃料组件约29 堆·年，维持“零破损”堆芯的良好记录。 秦一厂所有入堆燃料组件15 堆·年，曾有13 组因运行异常发生破损且已全部修复， 自2002 年第七燃料循环开始至今未再出现破损。 秦三厂入堆燃料组件共破损35 组，破损率0.0003%，远低于技术规格书要求的0.03%限值。 综上，秦山地区的核燃料组件运行情况良好，反映出核燃料组件良好的制造质量，同时也体现出核电厂在核燃料组件制造中的质量保证实施有效。

1 制造中的质量保证活动

秦山地区所用核燃料组件由中核建中核燃料元件有限公司和中核北方核燃料元件公司（以下简称“制造厂”）提供。核电厂对两家制造厂采取了相同的质量保证活动，分别有质量计划审查、合格性鉴定见证、产品见证、不符合项管理等。

1）质量计划审查

按照《核电厂物项制造中的质量保证》（HAD003/08）的要求，制造厂编制《核燃料组件质量计划》并提交给核电厂。核电厂技术部门和质保部门对质量计划进行审查，并在关键生产步序中设置质量控制点。

2）合格性鉴定见证

制造设备、工艺和人员资格只有通过合格性鉴定或再鉴定后方能进行有关的制造活动。核电厂参加鉴定活动，查阅试验和检验结果，了解鉴定结论。 首批燃料组件制造前，核电厂对工艺见证件进行全面监督。

3）产品见证

核电厂派遣驻厂代表进行驻厂监造，驻厂代表严格按燃料组件制造的相关法规、规范、合同以及制造质量计划、图纸、技术条件等文件进行全过程制造质量监督。 通过驻厂监造质量控制模式，使燃料组件制造过程始终处于受控状态，从而保证了燃料组件的制造质量完全符合设计质量技术要求。

4）制造不符合项管理

核电厂对I 类不符合项的处理由驻厂代表进行现场跟踪，对II 类不符合项进行技术审批和驻厂代表跟踪验证， 对III 类不符合项进行技术审批和跟踪验证并负责关闭。

2 制造过程的质量控制

驻厂代表对核燃料组件制造过程进行全面的质量把关。在质量计划关键步序中实施质量控制点见证和放行。核燃料组件制造主要有化工转化、芯块制备、零部件制造、燃料棒加工和燃料组件组装等工序。

2.1 制造工序与组件破损关系

燃料组件在堆内运行过程中因燃料组件的局部腐蚀、肿胀、氢脆、热应力集中以及金属异物刮擦等因素会导致燃料包壳破损，从而造成放射性物质进入冷却剂中。以下制造工序的制造缺陷可能会导致组件破损：

1）制造工序“燃料棒上、下端塞焊接”的质量缺陷引起破损

燃料棒在上、 下端塞焊接时因焊接工艺控制不当而产生焊接缺陷，使得燃料棒在堆内运行时裂纹扩展或穿孔，最终导致燃料棒破损泄露。

2）制造工序“燃料组件组装拉棒”的质量缺陷引起局部腐蚀开裂

燃料棒拉棒时产生点坑、划伤等表面缺陷，特别是划痕深度超过包壳厚度的10%。 这些表面缺陷在运行介质中成为腐蚀源，诱发局部腐蚀，直到腐蚀穿孔使燃料棒包壳破损。

3）制造工序“芯块的磨削淋洗烘干”的质量缺陷造成包壳氢脆开裂

燃料棒内的残余水分和包壳进行锆水反应产生氢气，裂变产物中也有少量氢气，氢气局部浓集将与包壳发生锆氢反应产生氢化物。 局部应力使氢化物呈放射状裂纹， 在温度梯度的作用下不断向外扩展，在包壳外壁形成突起和鼓包。在功率变化时产生的应力使突起和鼓包破裂，最终造成包壳氢脆开裂。

4）制造工序“芯块的清洁度检查”和“芯块的安装”的质量缺陷导致包壳应力腐蚀开裂

反应堆在运行过程中，由于芯块热导率小，芯块中心温度比周边高很多，端部效应使芯块端面部分的径向变形比芯块中部严重，当芯块端面部分与包壳接触时， 芯块和包壳相互作用使包壳产生环脊，环脊处存在较大的应力/应变。 另外当有异物卡塞在芯块和包壳之间也会产生环脊而存在较大应力/应变。 局部的应力/应变的区域可能导致应力腐蚀而破损。

5）制造工序“原材料和零部件检验”的质量问题间接引起组件破损

包壳、格架、条带等零部件的质量不过关。 如包壳有微裂纹，在反应堆内运行时裂纹扩展使得包壳破损； 格架或条带内部缺陷变形，在装卸料时造成格架或条带与包壳发生刮擦，导致包壳受损。

2.2 关键工序的质量控制

核电厂对燃料组件最终质量有重要影响的工序进行严格的质量控制。 包括会影响燃料组件破损工序、影响芯块在堆型运行性能的工序等。 举例如下：

1）焊接工艺合格性鉴定W 点见证；

2）燃料棒上、下端塞焊接的无损检验W 点见证；

3）燃料组件拉棒过程随机监督，组件外观目视检查W 点见证；

4）成品芯块的清洁度检查W 点见证；

5）各类原材料和零部件合格证W 点见证；

6）各阶段性产品如粉末、芯块、骨架、燃料棒、燃料组件等H 点见证放行；

7）其它关键环节W 点见证。 如烧结芯块检验、磨削芯块检验、导向管组装件检验、骨架检验等。

3 问题及探讨

核电厂已对燃料组件的制造过程实施了全面的质量控制，但质量管理工作还存在一些不足。

1)质量控制点设置不完善

压水堆核燃料组件上下端塞的焊接过程、芯块烘干过程和芯块安装过程等未设置质量控制点进行见证。对于以上可能会导致燃料组件破损的重要工序，核电厂应加强质量控制。

2）燃料组件拉棒后的检查不充分

燃料组件拉棒过程可能出现划伤，对于划痕深度超过包壳厚度的10%则为不合格。 划痕的深度的判断通过目视的方式，可能会造成漏查或盲区不可达的情况。 因此，核电厂也应增加拉棒过程的见证。

3）核电厂获取同行的燃料运行信息的渠道不畅通

核电厂应关注其它核电厂同类型燃料组件运行情况，以利于加强燃料管理，保持核电机组安全稳定运行，但目前获取信息渠道不通畅。核电厂应与制造厂加强联系，并定期获取国内外同行的燃料运行和操作异常事件的经验反馈资料。

4）制造质量趋势分析不足

燃料组件制造过程中会出现一些质量偏差情况。 目前，制造厂已对芯块、燃料棒等做质量趋势分析，但核电厂缺少质量趋势分析。核电厂也应主动建立相关趋势分析流程，及时向制造厂通报趋势分析结果和改进建议。

5）进口原材料、零部件采购质量控制问题

目前，核电厂对进口原材料和零部件在使用前进行最终检验报告的审查，但未参与制造厂组织的对国外供方的质保监查和产品源地验收等质量保证活动。 核电厂应获取制造厂的外部监查计划、供方源地评价计划和源地验收计划，便于参与相关质量保证活动，从最终用户需求的角度进行验证把关。

4 结束语

燃料包壳的完整性是核安全第一道屏障， 燃料组件是核电厂质保QA1 级设备，因此对其制造过程实施的质量管理活动也最全面。但在制造过程中存在一些问题，仍需要制造厂和核电厂共同努力来解决。

［1］HAD003/08 核电厂物项制造中的质量保证[S].1986.

［2］HAD003/10 核燃料组件采购、设计和制造中的质量保证[S].1989.

［3］HAF003 核电厂质量保证安全规定[S].1991.