燃料元件破损在线监测装置的试验研究

孙伟中，雷小兵，苟家元

(中国核动力研究设计院，四川 成都 610005)

燃料元件破损在线监测装置的试验研究

孙伟中，雷小兵，苟家元

(中国核动力研究设计院，四川 成都 610005)

为进一步进行燃料元件故障监测技术研究，开展了燃料元件破损在线监测装置在HFETR上的试验研究工作。本文对试验结果进行了讨论与分析，发现了“碘坑”现象和启堆时135Xe中毒现象，这两个现象都与理论分析结论一致。同时也将装置监测的结果与实验室取样测量结果进行对比，发现装置的监测结果与实验室测量结果符合较好。试验研究表明，燃料元件破损在线监测装置具备了在一回路水复杂环境下连续跟踪目标核素进行定性及定量监测的能力，具备了在实际工程应用能力。

元件破损；在线监测；HFETR；试验；目标核素

反应堆燃料元件发生破损时，将释放大量的放射性核素进入一回路冷却剂中，对一回路冷却剂中放射性核素含量变化的监测，能够及时、有效的判断燃料元件是否破损及破损的程度[1]，这对反应堆的安全运行具有重大意义。

目前，几乎所有的反应堆都对一回路冷却剂中的放射性核素进行了监测，通常的方法有两种。一种方法为人工取样测量，可以实现对一回路冷却剂中的放射性核素的测量分析，这种方法测量数据较为准确，但时效性差，不能及时反应一回路冷却中放射性核素含量的变化，当燃料元件发生破损时，不能及时发现，为事件处理决策及事件后果的评价提供依据。另一种方法为在线直接测量，即一回路冷却剂总γ测量和缓发中子测量，这种方法技术成熟，应用广泛。但是，这种测量不能实现对一回路冷却中放射性核素的分辨，由于一回路冷却剂中放射性核素含量的变化受其他很多因素的影响，所以总γ放射性水平及缓发中子水平的变化并不能准确反应燃料元件破损的程度。

因此，结合上述两种方法的优点，设计出了一套燃料元件破损在线监测装置，既能实现放射性核素在线自动测量，又具有放射性核素分辨的功能。为了进一步测试验证装置的实际应用的各种性能指标，在HFETR(高通量工程试验堆)上进行了试验研究。

1 装置原理及组成

燃料元件破损在线监测装置主要由高纯锗探测器、电制冷机、数字化谱仪、专用控制器(内置UPS电源)、源检器、计算机及专用软件组成，装置原理如图1所示。装置的正常工作流程如下。

图1 装置原理图Fig.1 Schematic diagram of the device

(1) 装置总电源上电，专用控制器处于待机状态；

(2) 启动计算机，专用控制器检测到计算机启动的一个信号，凭这一信号唤醒专用控制器，给电制冷机、数字化谱仪等供电，制冷启动；

(3) 计算机启动后，专用软件自动启动，并等待制冷温度达到设置值，当满足要求时，数字化谱仪获得一个信号，这时允许软件给探测器施加高压(约3500V)；

(4) 获得高压后，探测器开始正常工作，输出脉冲，经谱仪采集，在计算机上进一步统计、分析。

装置运行时如果外电源突然失电，专用控制器内部的UPS电源将自动启动工作，继续维持装置工作，同时，计算机将通过USB接口检测到外电源失电，立即启动关机程序：缓慢关闭高压、软关机。最后完全关闭系统。这一设计可实现掉电时对探测器、数据的保护。

关机时，只需按下计算机上的关机键，程序将自动完成一系列保护性关机，而不必用鼠标或键盘进行一系列复杂操纵，这可有效简化操作程序，减少人因出错概率。

2 试验目的及过程

2.1 试验目的

开展燃料元件破损在线监测装置的试验研究主要有两个目的：

(1) 静态试验：在实验室环境下，装置能否对固体放射源响应且自动连续跟踪放射源核素；

(2) 在线试验：在HFETR上，装置能否复杂环境下对一回路水中放射性核素响应且实现目标核素的自动连续跟踪。

2.2 试验过程

2.2.1 静态试验

在装置处于正常工作状态下，用实验室固体137Cs源测试装置响应情况，同时测试装置自动连续跟踪137Cs核素状态。

2.2.2 在线试验

在线试验主要是在HFETR上试验燃料元件破损在线监测装置能否在一回路水复杂环境下自动跟踪目标核素。装置的试验具体位置为HFETR破损系统间，选取房间中的破探回路一段取样管(净化前)为监测目标。具体步骤如下：

(1) 调整高纯锗探测器与取样管之间的距离，使得探测器计数率处于有利于测量但不导致探测器阻塞的状态。确定探测器位置后，继续连接装置后续的配套部件，完成装置在线试验的组装，进而进行在线研究。

(2) 目标核素选取

当前，比较容易测量出的一回路水中主要典型裂变核素有[1]：

气体组：133Xe，133mXe，135Xe，138Xe，85mKr，87Kr，88Kr；

碘组：131I，133I，134I，135I；

铯组：134Cs，137Cs。

这些裂变核素虽然可用于分析燃料元件破损状况，但是一回路水中放射性核素γ能谱复杂，干扰因素很多。需要对上述核素甄别，选取易监测，干扰小的几个主要裂变核素，作为燃料元件破损目标跟踪核素。

在元件破损的实时监测中主要干扰因素有，一回路水中活化腐蚀产物的γ辐射、水的中子活化产物19O及16N的γ光子、湮没辐射及探测器有铅层屏蔽是由高能γ产生的Pb X射线[2-4]。一回路水中活化腐蚀产物γ能谱的分布较广，特别是800～2000 keV，元件破损目标核素的光子不宜选择在此能量区域。水的中子活化产物主要产物是19O及16N，16N的6134keV主γ及其另一些高能γ不仅会在探测器内增加严重的散射本底，而且会在探测器包壳或监测点附近结构材料中产生电子对效应从而生成511 keV的湮没辐射，其能量与132I的522.6 keV、133I的529.5 keV及135I的526.3 keV相接近，会对监测造成很大的干扰。

考虑活化腐蚀产物、水活化产物、湮没辐射的影响，同时结合燃料元件破损通常监测的典型核素情况，选取88Kr、131I、135Xe、137Cs这4个裂变核素作为燃料元件破损在线监测的目标核素。其中，137Cs、131I的特征峰能量分别为661.66keV和364.49keV，由反应堆一回路水监测的γ能谱可知，两个能峰附近很洁净，无其他特征峰造成干扰。一旦发生元件破损，由于目标核素137Cs、131I的产额较高，使得一回路水中137Cs、131I的放射性核素很快升高，其特征峰容易在一回路水能谱的本底上凸显出来，即可定量、定性监测到元件的破损[2-4]。60Co作为活化产物，在一回路水中始终存在且比较稳定，可作为监测的参考核素。所以，选择的目标放射性核素分别是60Co、88Kr、131I、135Xe、137Cs，这5个核素的详细信息见表1。另外，这5个核素的半衰期大于监测出元件破损的时间(几分钟)，不必考虑其活度在破探回路不同位置及自身衰变的变化。

表1 目标核素主要信息Table1 Main information of the target nuclides

(3) 启动装置，连续监测至少一个启停堆周期。

(4) 获取数据，进行分析并与实验室测量结果进行对比，评价其监测能力。

3 试验结果与分析

3.1 静态试验

在装置正常运行时，将固体137Cs源贴近高纯锗探头灵敏区，查看目标核素跟踪软件，结果表明装置源响应正常。

如图2所示，装置只跟踪了放射源核素137Cs，当137Cs源没有放在高纯锗探头灵敏区时，装置监测到的只是本底；而当137Cs源放在高纯锗探头灵敏区时，137Cs计数立刻上升，监测跟踪一段时间，计数一直保持稳定；再把137Cs源移走，计数立刻下降到本底水平。如此反复试验了几次，装置总是能够及时响应，这表明装置在静态测试时源响应正常。

图2 装置源响应曲线Fig.2 Curve for source response of the device

3.2 在线试验

在HFETR上共测试三个炉次，分别是87-Ⅱ炉：测试30天；88-Ⅰ炉：测试30天；88-Ⅱ炉：测试15天。在这三个炉次期间，获得了大量的试验数据，从一回路水中目标核素含量随时间的变化情况，发现了一些现象，对这些现象进行了说明与分析，并且将装置监测结果与实验室测量结果进行对比，从而来验证装置的监测能力。

3.2.1 “碘坑”现象

88-Ⅰ炉停堆后，装置监测到“碘坑”现象，即在2013年12月24日停堆后，一回路水中的135Xe的含量并没有减少，反而继续增加。如图3所示，在停堆前一天，即2013年12月23日，监测数据显示一回路水中135Xe的含量一直保持稳定。在停堆当日，一回路水中135Xe的浓度开始增加。在停堆一天后，即25日，135Xe的含量达到最大值逐渐减少，在停堆2天后，即27日，监测到的135Xe的含量已经是测量本底。“碘坑”现象主要是由于停堆后裂变对135Xe的直接产生率也近似等于零，但是堆内存在的135I继续衰变成135Xe，而135Xe却不能再吸收中子而消失了，同时由于135Xe的半衰期大于135I的半衰期，因而在停堆一段时间内135Xe含量反而增加[5]。但是，由于停堆后没有新的135I产生，135Xe浓度达到某一极值后，逐渐减小。

图3 反应堆关闭时一回路水中135Xe计数随运行时间变化曲线Fig.3 Curve for counts of 135Xe in primary loop with change of operating time during shut-down of reactor

3.2.2 启堆时135Xe中毒现象

HFETR的88-Ⅱ炉于2014年1月4日开堆，装置监测到了135Xe中毒现象，见图4。在开堆前，即2014年1月3日时一回路水中135Xe浓度在测量本底水平，2014年1月4日开堆后135Xe计数迅速增加并且趋近饱和，这就是反应堆启动135Xe中毒现象。对于一个新的堆芯，135I和135Xe的初始浓度都等于零，反应堆开始启动后，135I和135Xe的浓度都随着运行时间的增加而增加，当运行一段时间后，135I和135Xe的浓度都达到了平衡浓度，即135I和135Xe核的产生率正好等于其消失率，因而它们的浓度将保持不变。

图4 反应堆启动时一回路水中135Xe计数随运行时间变化曲线Fig.4 Curve for counts of 135Xe in primary loop with change of operating time during start-up of reactor

“碘坑”现象和启堆时135Xe中毒现象都是已经经过详细理论分析与实验验证的现象，而装置的监测结果与实际情况一致，这就验证装置具备了目标核素定性监测能力且是可信的。

3.2.3 目标核素跟踪

在HFETR的88-Ⅱ炉一回路水中跟踪的目标核素含量随时间变化情况见图5，135Xe浓度随时间变化情况在上部分详细描述过。除了135Xe，88Kr含量变化趋势与135Xe一致，即开堆后迅速增加，并随着堆的运行，逐渐趋于饱和，饱和后浓度88Kr要比135Xe少2倍左右。131I的计数没有受启堆的影响，一直保持在测量本底水平。137Cs和60Co的计数却在开堆后不断减小，当堆运行一段时间后保持稳定。

图5 一回路水中目标核素计数随运行时间变化曲线Fig.5 Curve for counts of target nuclides in primary loop with change of operating time

3.2.4 与实验室测量结果比较

图6表示的是2014年1月3日至14日期间实验室取一回路水样测量目标核素的活度浓度，每天测一次；图中实线为拟合的变化趋势线。由图6可知，135Xe的活度浓度随反应堆运行而逐渐增加，并达到饱和。85Kr的变化趋势与135Xe相似，但活度浓度要比135Xe小，131I的活度浓度随运行时间变化较小，一直保持稳定。将图5与图6比较发现，实验室测量与装置监测的目标核素变化趋势完全是一致的，而且目标核素含量之间的大小关系也是一致的，这也进一步验证了装置在定性监测上是可靠可信的。

图6 实验室测量目标核素活度浓度随运行时间变化曲线Fig.6 Curve for activity concentration of target nuclides by laboratory method with change of operating time

88-Ⅱ炉期间，一回路水中装置监测及实验室测量的135Xe与131I的比值见图7。由图7可知，装置监测135Xe与131I的比值与实验室测量比值符合的较好，从而在一定程序上验证了装置的定性监测能力。

图7 实验测量与装置监测目标核素135Xe与131I比值对比图Fig.7 Contrast figure for ratio of 135Xe and 131I measured respectively by laboratory method and the device

4 结论

通过燃料元件破损在线监测装置的试验研究，得出以下结论：

(1) 装置在实验室环境下的源响应正常且能自动连续跟踪目标核素。

(2) 装置在HFETR上监测到的“碘坑”现象和启堆时135Xe中毒现象都与实际情况结论一致，而且装置跟踪目标核素情况与实验室取样测量结果符合较好，从而验证了装置具备了在一回路水复杂环境条件下自动连续跟踪目标核素以及定性定量监测能力，具备实际工程应用能力。

5 展望

需要说明的是，现阶段的试验研究只是从验证在线监测装置功能的角度从发，并不是真正意义上的燃料元件破损在线监测试验。装置只是一个“工具”，并且该“工具”经过试验具备了在一回路水复杂环境下实时监测目标核素的能力。真正的燃料元件破损在线监测，还需要进一步确定破损在线监测的目标核素及其阈值，而且要在真正意义上的破损回路上进行试验，这还需进一步的理论与试验研究。

[1] 陈彭，张应超，季松涛，等. 核电站燃料棒破损在线探测系统研制[J]. 原子能科学技术，2005，7(39)：131-135.

[2] 王月兴，马晓林，云昌全，等. 用γ能谱分析法作元件破损实时监测中的影响因素[J]. 核电子学与探测技术，1996，16(5)：345-349.

[3] 张燕，阎学昆，刘明建，等. 元件破损在线监测中关键核素活度测量的影响因素[J]. 原子能科学技术，2008，42(4)：318-321.

[4] 李兰，杨洪润. 压水堆核电厂燃料元件破损诊断方法[J]. 核动力工程，2008，29(3)：135-139.

[5] 谢仲生. 核反应堆物理分析[M]. 西安：西安交通大学出版社，2004.

TheTestofOnlineMonitoringDeviceforFuelElementRupture

SUNWei-zhong，LEIXiao-bing，GOUJia-yuan

(Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610005，China)

In order to study the technology of fuel element rupture monitoring further，the test of the online monitoring device for fuel element rupture on HFETR was done. This paper described the test results and analysis. The iodine well phenomenon and xenon poisoning phenomenon were found，and there were agreed with theory. Moreover，the monitoring results of the prototype also accord with laboratories results. So the test results confirmed that the device have a ability of monitoring target nuclides in primary loop.

Fuel element rupture；Online monitoring；HFETR；Test；Target nuclides

2017-11-06

孙伟中(1986—)，男，江苏盐城人，助理研究员，硕士，现从事辐射防护与监测方面工作

：TL363

A

0258-0918(2017)06-1033-06