燃料棒破损超声检测技术研究

殷振国，王华才，刘歆粤，梁政强

（中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所，北京 102413）

燃料棒破损超声检测技术研究

殷振国，王华才，刘歆粤，梁政强

（中国原子能科学研究院反应堆工程研究设计所，北京 102413）

研制了单探头和双晶片探头两种类型超声探头，通过对模拟燃料棒破损前后超声信号变化规律的研究，确定了超声检测探头的型式及检测方法。研究结果表明，可通过15～20mm声程范围内超声回波幅度的差异来判定燃料棒是否破损；与单探头相比，所研制的双晶片探头更适用于燃料棒破损超声检测，该双晶片探头能有效分辨的燃料棒内的最小水量为0.2mL。

超声检测；燃料棒；破损

轻水堆核电站燃料棒一旦发生破损，燃料中的放射性裂变产物会释放到一回路的冷却剂中，从而给核电站的安全性和经济性造成不良影响。因此，燃料包壳的破损问题是国际上一重要的研究课题［1－4］。过去很长一段时间内，国内绝大多数动力堆－破损组件的监测均通过测量排气中Kr和Xe放射性的大小和反应堆冷却水中碘的数量来监测破损组件，再采用啜吸实验对破损组件进行定位，但这样仅能确定组件内是否装有破损的燃料棒，无法确定组件中哪根燃料棒（或哪几根）破损。因此，找到破损的燃料组件后，还需采用外观检查、涡流检查等无损探伤方法，甚至可能将燃料组件拆开，对燃料棒进行逐根啜吸检查。这些方法均存在一定的缺陷，如外观检查方法仅能对组件外侧的燃料棒进行检查，且仅能发现一些较明显的缺陷；涡流检查则需将组件拆开，再进行逐根检查，耗时长且经济性差［5］。因此，开展组件中破损燃料棒精确定位的研究对反应堆安全稳定运行及提高动力堆的经济性具有重要意义。

核电工业发达国家对破损燃料棒超声定位技术进行了大量研究［6－8］，其主要工作原理是通过把超声探头（包括发送器和接收器）从轴向靠近燃料棒端部、或插入燃料组件各行燃料棒之间的空隙中，并向燃料棒发射超声波，反射波（或称回波）的波幅将会受到包壳缺陷或燃料棒内水的影响，根据反射波的波形即可确定燃料棒是否破损。该方法可将特种超声探头插入燃料组件各行燃料棒之间的空隙中进行检验，且只需安装足够多的探头即可实现组件一排排的检验，具有检验效率高、无须解体组件、经济性好等优点。

本文采用将超声探头插入燃料组件各行燃料棒之间的空隙中的检测方式，分别研制双晶片探头和单探头两种型式的探头，并探讨探头型式、探头位置、有无芯块、燃料棒内水量等因素对模拟燃料棒破损后超声信号变化规律的影响。

1 实验

1.1 实验材料

选用316L（00Cr17Ni14Mo2）不锈钢管材作为模拟燃料棒（简称元件棒），元件棒外径为9.68mm，壁厚为0.64mm，总长度为400mm，元件棒内芯块采用φ8mm×30mm的Al2O3陶瓷柱。采用氩弧焊将元件棒的包壳与下端塞进行焊接，利用氦质谱检漏仪对焊接部位进行泄漏检查，若元件棒泄漏率均小于10－10Pa· m3／s，可判断其未泄漏。本工作将无水且检漏合格的单棒来模拟未破损元件棒，以内部装有水的元件棒来模拟破损元件棒。

1.2 实验装置

本工作与汕头超声电子股份有限公司合作，设计研制两种类型的超声探头：1）双晶片探头，一发一收型式；2）单探头，自发自收型式。两种类型的特种超声探头结构如图1所示。超声探头尺寸为20mm×15mm×1.2mm，超声频率为10MHz，可进行棒间隙为3.3mm的组件中破损元件棒超声检测，且该探头可在100℃、高辐照剂量场下工作。图2为设计加工的超声检测实验装置，其中储水容器尺寸为600mm×300mm×300mm，由于研制自动机械装置耗时长、成本高，所以采用手动控制装置，探头固定装置的材料为聚四氟乙烯，探头在水层中的距离及与工件的相对位置预先调整。超声检测设备采用CTS－9002plus型超声波探伤仪。

图1 超声探头结构示意图Fig.1 Structure of ultrasonic probe

图2 超声检测实验装置示意图Fig.2 Sketch of ultrasonic testing device

分别选用单探头和双晶片探头，采用插入燃料组件各行元件棒之间的空隙中的检测方式对元件棒进行超声检测，超声检测声程范围为0～20mm，声速为5 900m／s，阻尼为400Ω。

2 结果与讨论

2.1 探头型式对超声检测结果的影响

分别选用双晶片探头和单探头，在水温13℃下对元件棒进行超声检测，实验结果如图3、4所示。由图3可看出，元件棒内有水和无水情况下，在15～20mm声程范围内的超声回波幅度差异明显，与元件棒内无水的情况相比，元件棒内有水的超声回波幅度下降较显著，如15～17mm声程范围内的超声回波幅度从60%降至24%，17～19mm声程范围内的超声回波幅度从100%降至60%。由图4可看出，单探头在元件棒内有水与无水两种情况下，在0～20mm声程范围内的超声回波幅度无任何变化。因此，与单探头相比，双晶片探头超声检测更易通过15～20mm声程范围内的超声回波幅度的差异分辨出元件棒内是否有水。这是由于单探头检测采用脉冲／回波技术，探头发射脉冲后其透射的能量较小，与水耦合后降低的幅度不足以分辨出来；而双晶片探头直接通过在对侧接收脉冲，可有效地分辨回波幅度的差异［3］。

2.2 探头位置对超声检查结果的影响

选用双晶片探头对探头接触元件棒1／4、1／2、3／4处3种位置进行了超声检测，结果如图5～7所示。由图5～7可看出，探头接触元件棒1／4处时，15～17mm声程范围内的超声回波幅度从38%降至28%，17～20mm声程范围内的超声回波幅度从61%降至30%；探头接触元件棒1／2处时，15～17mm声程范围内的超声回波幅度从60%降至24%，17～20mm声程范围内的超声回波幅度从100%降至60%；探头接触元件棒3／4处时，15～17mm声程范围内的超声回波幅度基本保持35%左右不变，17～19mm声程范围内的超声回波幅度从50%降至24%左右。由图5～7还可看出，探头接触元件棒1／2处的超声回波幅度较1／4、3／4处的下降显著。由此可得出，无论探头接触元件棒位置在何处，超声检测均可有效地分辨元件棒内是否有水，但探头接触元件棒位置对超声检测结果有一定影响，进行元件棒破损超声检测时探头应接触元件棒中心位置。

图3 双晶片探头在元件棒内无水（a）及有水（b）时的超声检测结果Fig.3 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod by pair－wafer probe

图4 单探头在元件棒内无水（a）及有水（b）时的超声检测结果Fig.4 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod by single－wafer probe

图5 探头接触元件棒1／4处元件棒内无水（a）及有水（b）时的超声检测结果Fig.5 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod at 1／4position

图6 探头接触元件棒1／2处元件棒内无水（a）及有水（b）时的超声检测结果Fig.6 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod at 1／2position

图7 探头接触元件棒3／4处元件棒内无水（a）及有水（b）时的超声检测结果Fig.7 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod at 3／4position

2.3 有无芯块对超声检测结果的影响

选用双晶片探头分别对元件棒内有Al2O3芯块和无芯块情况下进行超声检测，结果如图8、9所示。由图8、9可看出，元件棒有水时在13～20mm声程范围内的超声回波幅度较无水时下降显著。当元件棒内无芯块时，无水时超声回波幅度较有芯块时回波幅度大，在15～20mm声程范围内无芯块时超声回波幅度大于100%，而有芯块时在15～17mm声程范围内回波幅度约为60%，在17～19mm声程范围内回波幅度为100%。当元件棒内无芯块时，有水时超声回波幅度下降幅度较有芯块时

显著，在15～17mm声程范围内无芯块的超声回波幅度由大于100%降至40%，在17～19mm声程范围内无芯块的超声回波幅度由大于100%降至80%，而有芯块的超声回波幅度分别由65%降至30%，100%降至60%。无论元件棒内是否有芯块，超声检测均可通过15～20mm声程范围内的超声回波幅度的差异有效地分辨出元件棒内是否有水。

2.4 元件棒内水量对超声检测结果的影响

将装入已知水量的元件棒作为模拟破损棒，使用双晶片探头对元件棒有水、无水时进行超声检测，结果如图10所示。可看出，当元件棒内充入0.2mL水时，15～20mm声程范围内的超声回波幅度出现下降，随着元件棒内水量的增加，回波幅度继续下降，直至元件棒内充入0.5mL水后，回波幅度不再下降，保持不变。这可通过式（1）理论计算来进行解释。

V＝3.141 592 6×4.2×4.2×H（1）其中：V为元件棒内水量；H为包壳与芯块间隙内水的高度。

图8 元件棒内有Al2O3芯块无水（a）及有水（b）时的超声检测结果Fig.8 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod with Al2O3

图9 元件棒内无芯块无水（a）及有水（b）时的超声检测结果Fig.9 Ultrasonic testing results of anhydrous condition（a）and water condition（b）within rod with no pellet

由水浸超声监测破损棒的原理可知，当元件棒内水量浸没探头晶片时，超声回波幅度将会开始下降。由式（1）可知，当元件棒内水量约为0.2mL时，水高度约为3.5mm，而探头晶片高度约为3mm，此时元件棒内水开始浸没晶片，超声回波幅度会出现下降，随后随着元件棒内水高度的增大，超声回波幅度继续下降，直至全部浸没，超声回波幅度不再变化。

由此可知，超声检测可分辨出的元件棒内水量与探头晶片的大小有关，元件棒内水仅需浸没晶片，超声检测便可通过超声回波幅度的差异来判定元件棒内是否有水，进而对破损棒进行定位。本工作所研制的双晶片探头能有效分辨的元件棒内的最小水量为0.2mL。

3 结论

1）在本工作实验环境下，单探头不适用于检测出破损元件棒；

2）双晶片探头可通过15～20mm声程范围内的超声回波幅度的差异分辨出元件棒内是否有水，从而对破损元件棒进行监测与定位；

3）在本工作实验环境下，所研制的双晶片探头能有效分辨的棒内的最小水量为0.2mL。

图10 元件棒内无水及有水时超声检测结果Fig.10 Ultrasonic testing results of anhydrous condition and water condition within rod

［1］ KIM K T.A study on the grid－to－rod fretting wear－induced fuel failure observed in the 16×16 KOFA fuel［J］.Nuclear Engineering and Design，2010，240（4）：756－762.

［2］ KIM K T.The effect of fuel rod oxidation on PCMI－induced fuel failure［J］.Journal of Nuclear Materials，2011，418（1－3）：249－260.

［3］ DOBRIN R，CRACIUNESCU T，TUTURICI I L.The analysis of failed nuclear fuel rods by gamma computed tomography［J］.Journal of Nuclear Materials，1997，246（1）：37－42.

［4］ 陈彭.轻水堆核电站燃料棒破损性状分析程序的开发［D］.北京：中国原子能科学研究院，2006.

［5］ 黄逸达，邓浚献.反应堆破损燃料元件的监测和定位［M］.北京：原子能出版社，1993.

［6］ SINGH J L，KUMAWAT N，SINHA A K，et al.Development of a set－up for the detection of failed fuels in TAPS BWR spent fuels storage bay［C］.Vienna：IAEA，2013：283－286.

［7］ PAVLOV S V.Detection of failed fuel rods in the VVER and RBMK fuel assemblies and results of detection method adoption［J］.Atomnaya Energiya，2009，106（2）：84－88.

［8］ WILLIAM J.Method and apparatus for identifying failed nuclear fuel rods during refueling in a reactor core：US，5539789［P］.1996－07－23.

Research on Ultrasonic Detection Technique of Fuel Rod Failure

YIN Zhen－guo，WANG Hua－cai，LIU Xin－yue，LIANG Zheng－qiang
（Department of Reactor Engineering Research and Design，China Institute of Atomic Energy，Beijing102413，China）

Single－and pair－wafer ultrasonic probes were developed.Through the study on the change of ultrasonic signal during fuel rod failure，the detection method and pattern of probe were determined.The results show that fuel rod failure can be identified through the difference of ultrasonic echo amplitude on the acoustic range of 15－20mm.Compared with single－wafer probe，pair－wafer probe can detect the fuel rod failure more easily，and can effectively detect the minimum amount of water with 0.2mL.

ultrasonic detection；fuel rod；failure

TL99

A

1000－6931（2015）02－0324－06

10.7538／yzk.2015.49.02.0324

2013－11－11；

2014－01－15

殷振国（1971—），男，北京人，高级工程师，核工程专业