拉棒中断现象对燃料棒表面划伤深度的影响研究

亢方亮

海军装备部，陕西 西安 710000

1 燃料棒概述

在反应堆正常运行中，燃料棒棒体结构应保持完整性，并将核燃料的裂变产物始终包容在内，以实现核能的安全有效利用。一座压水反应堆有成千上万支燃料棒，这些燃料棒是核反应堆内实现核能利用的核心部件。

从结构上来讲，燃料棒是通过拉棒过程被组装成为燃料组件的一部分。组装后，受燃料组件格架栅元刚凸和夹持弹簧的横向作用，燃料棒竖立在燃料组件的下管座上。从燃料组件的设计要求来看，燃料组件格架栅元内的刚凸和夹持弹簧与燃料棒之间有一定横向夹持力的作用，使得燃料棒在燃料组件内不会轻易轴向窜动（比如在燃料组件运输中或反应堆运行初期）。在实施拉棒过程时，上述横向夹持力以格架栅元刚凸和夹持弹簧与燃料棒之间存在摩擦力的形式体现出来。拉棒后，燃料棒棒体表面总是不可避免地会有可见的拉棒划伤。通常，基于满足反应堆结构材料的综合性能要求，燃料棒棒体材料的硬度远小于定位格架刚凸及夹持弹簧的硬度，导致拉棒划伤主要集中在燃料棒棒体表面，而定位格架刚凸和夹持弹簧没有被划伤的现象。在工程实际中，为节省材料及提高换热效果，燃料棒包壳往往采用薄壁管。为满足燃料棒全寿命期内的完整性要求，燃料棒棒体的表面划伤深度应按相关质量要求严格控制。

正常拉棒时，燃料棒棒体表面划伤深度是能够满足相应控制要求的。但在某工程燃料组件正常拉棒过程中，因机器故障出现拉棒中断现象，经检查修复，恢复拉棒过程。为了解该中断现象是否会导致燃料棒棒体表面划伤深度的明显加深，并且受拉棒中断现象影响的燃料棒棒体表面划伤深度是否仍然能够较好地满足相应质量控制要求，文章开展了拉棒中断现象对燃料棒表面划伤深度的影响试验研究及分析。

2 试验准备

（1）经检验合格的燃料组件骨架，主要特性为骨架中各格架栅元位置度正确，栅元刚凸与对应夹持弹簧所形成的夹持力在技术要求范围内。（2）棒体表面质量完好的燃料棒若干。（3）专用拉棒机，指能够实现拉棒速度可调节的燃料组件生产专用拉棒机。（4）检测用的专用显微镜，指能够准确检测出精度为微米级的燃料棒表面划伤深度的显微镜。（5）其他辅助工器具。

3 试验方案

3.1 总体要求

采用工程现有的拉棒系统，按规定的拉棒程序拉棒，开展两次拉棒试验。每次拉棒试验，选取燃料组件骨架的四层格架栅元为试验研究对象，拉棒过程均采用工作许可的拉棒速度。在具体试验时，以从下向上数第一、中间、倒数第二、倒数第一层格架栅元为试验研究对象。

每次拉棒试验后，应确保对试验棒的信息进行正确跟踪，主要有试验次别、燃料棒号、格架栅元层号及顺序号等。在从燃料组件格架栅元中拉出每层的所有试验燃料棒时，应缓慢匀速，不允许造成棒的明显弯曲。采用专用显微镜对燃料棒的棒体表面划伤深度进行检测，将测得的每支棒的棒体最深划伤深度作为该支棒划伤深度的有效数据（考虑到应重点关注燃料棒表面最严重的划伤深度，文章中不区分格架刚凸和夹持弹簧两种接触形式对燃料棒表面造成的划伤，也不区分划伤的具体位置）。

对两次试验的格架相同层号栅元中检测出的最深划伤深度有效数据进行比对（为避免骨架翻转前后格架同一栅元两次参与拉棒试验划伤深度数据的分析，舍去两次拉棒试验中交叉重复的格架栅元所对应的燃料棒划伤深度数据）；分析讨论拉棒中断现象对燃料棒表面划伤的影响；最终得出控制拉棒划伤的建议及拉棒中断现象对拉棒划伤深度影响的结论。

3.2 试验方案一

将燃料组件骨架正常放置于拉棒平台，预先在燃料棒全长的1/5、2/5、3/5、4/5处做人工标记，当该标记处分别到达某层格架内部大约与格架刚凸或弹簧接触处时手动中断拉棒过程，以模拟拉棒中断现象。中断现象后，再继续拉棒过程，直至该层的燃料棒被完全拉入燃料组件栅元，并最终将燃料棒拉出燃料组件，对棒体划伤深度数据实施检测。每层棒的拉棒中断现象出现四次后，完成该层的拉棒试验。依次开展选定的后续三层格架栅元（中间层、倒数第二层和倒数第一层）的燃料棒拉棒中断现象试验。

3.3 试验方案二

将所用燃料组件骨架顺时针翻转90°，拉棒时不中断拉棒过程，分别完成格架第一层、中间层、倒数第二层、倒数第一层共4层格架栅元的拉棒过程，拉棒过程每层中断4次，并最终将试验棒拉出格架栅元，对棒体划伤深度数据实施检测。

4 试验及数据检测比对

按上述试验方案完成两次试验。试验后，对所有试验燃料棒体的划伤采用专用显微镜进行检测，得出每支试验燃料棒的划伤数据（划伤宽度和深度最大值）。通常，目视可看出，拉棒中断现象对燃料棒表面划伤宽度的影响很小，并且划伤深度比宽度更直接地关系着燃料棒体的安全可靠性。因此，文章不对拉棒划伤宽度赘述，而是以棒体的划伤深度为研究对象，着重对两次试验同层格架栅元对应的棒体划伤深度最大值数据进行比对分析。

检测的数据显示，在将燃料棒拉入格架的第一层栅元过程中，模拟拉棒中断现象后，棒体的划伤深度最大值均略大于不中断拉棒时棒体表面的划伤深度最大值。并且，模拟拉棒中断后棒体划伤深度的最大值所对应棒体的具体位置就是曾经的拉棒中断处，即对于格架第一层栅元，出现拉棒中断现象时，燃料棒棒体划伤深度最大值数据相对略大。

依次开展两次试验后续中间层、倒数第二层及倒数第一层格架栅元所对应棒体表面划伤深度最大值数据的检测和比对。结果均显示，出现拉棒中断现象时，棒体划伤深度的最大值数据所对应棒体的具体位置就是曾经的拉棒中断处，数据值也相对略大，且均远小于相应的质量控制要求。

5 分析及建议

当发生机器故障、突发的停电及需要紧急暂停等情况时，均会出现拉棒中断现象，这种拉棒中断现象在拉棒过程中并不能完全避免。因此，拉棒中断现象是拉棒过程中很可能随时会出现的一种偶然现象。中断后，恢复拉棒过程时，由于燃料棒从静止状态转到运动状态，受到的摩擦力也将由静摩擦力转为动摩擦力。

从力学原理分析，由于静摩擦力的峰值总是略大于动摩擦力，燃料棒棒体所受的摩擦力将在中断后继续拉棒时的瞬间达到峰值，导致在燃料棒与格架刚凸或弹簧接触处棒体表面划伤深度会有所加深。若在中断后能够降低恢复拉棒时的速度，尽可能减小瞬时启动时的静摩擦力，有利于减小燃料棒表面划伤深度。

试验燃料棒棒体表面的实际划伤深度的检测结果也证实了这种情况，即出现拉棒中断现象时，在棒体与格架刚凸或夹持弹簧的接触处，其表面划伤有相对明显的顿挫痕迹，该位置燃料棒表面划伤深度相对于附近划伤处较深，可以说明静摩擦力对燃料棒的表面划伤深度的确是略有影响。但从检测结果的进一步比对来看，相对于不出现拉棒中断现象，出现拉棒中断现象时的划伤深度最大值数据只是略有加深，并未显示出有明显的加深。

当然，每支燃料棒拉棒划伤深度也可能与格架栅元的栅元尺寸或夹持力的细微变化有关系。经查看设计图及测量实物尺寸，虽然每支格架的边栅元和角栅元的尺寸略小，但由于夹持弹簧的存在，其格架栅元的夹持力检测数据与其他栅元基本相同。因此，正常情况下，合格格架的不同栅元（夹持力检测合格）所对应燃料棒的划伤深度最大值是不会有明显差异的。虽然拉棒过程中，格架刚凸比夹持弹簧表现出的变形量更小，但从其对棒体产生的有效划伤深度的比对来看是未有明显差异的。通常，只要棒体未受到来自外界横向外力的作用，那么在出现拉棒中断现象时，燃料棒的棒体表面划伤深度是不会出现明显变化的。

对此，可采用以下两条建议：（1）在拉棒过程中，减少拉棒中断的次数，这对燃料棒表面划伤深度的控制是有积极作用的；（2）中断拉棒后，若降低恢复拉棒时的拉棒速度，可减小瞬时存在的静摩擦力，这对减小燃料棒体表面划伤的有效深度也是有贡献的。

6 结论

综合以上试验研究及分析，可以得出如下结论：（1）在正常拉棒过程中，尽量减少拉棒中断现象的发生，并适当降低拉棒的速度，对控制燃料棒棒体表面划伤深度是有积极作用的；（2）拉棒中断现象不会导致燃料棒棒体表面划伤深度的明显加深；受偶然拉棒中断现象的影响，燃料棒棒体表面划伤深度仍能够很好地满足相关质量控制要求。