AFA3G 燃料组件拆解修复技术研究

林锘涵 任 亮

（1.中核核电运行管理有限公司科技管理处，浙江 嘉兴 314300；2.中国核动力研究设计院，四川 成都 610041）

目前，国内大多数压水堆核电站主要采用AFA3G系列核燃料组件，经过不断的设计改进，破损率已经低至10-5水平。 然而，对于新建电厂以及实施18 个月长周期换料、50～60 GWd/tU 的高平均卸料燃耗、 加锂使水质变化等情况，组件破损情况仍偶有出现，影响堆芯的安全性和经济性。 压水堆核燃料组件的损伤主要包括燃料棒破损和燃料组件的机械损伤，针对燃料棒破损的组件[1]，通常采用替换破损组件及其对称组件或使用哑棒修复的形式。 对比两种形式，后者经济性更高。 目前，国内组件修复的实践经验较少，尤其对于高燃耗组件存在空白。 因此，组件修复的实践经验对于国内压水堆核电厂来说，具有极大的参考价值。

1 破损燃料棒修复流程研究

1.1 破损燃料棒修复原理

国内外通常采用不锈钢或锆合金哑棒替换破损燃料棒的方式进行破损燃料组件的修复。 即在核电厂乏燃料水池或装载井，将破损燃料组件进行拆解，将破损燃料棒抽取贮存，替换哑棒回插到破损燃料棒位置。

有分析表明，哑棒材料的选择各有优劣。 综合各方面影响，采用不锈钢哑棒更合适，从中子学特性角度和经济性上看，对稍低富集度或燃耗的燃料棒修复对设计参数的影响更小[2]。

1.2 破损燃料棒修复流程

针对目前国内通常使用的AFA3G 17×17 型燃料组件，主要由燃料骨架、上管座及264 根燃料棒组成。燃料骨架由24 根导向管、1 根仪表管、11 个格架（8个定位格架及3 个跨间搅混格架） 和下管座组成，因此，根据燃料组件结构，对燃料棒的修复流程可以按以下步骤进行。

1.2.1 拆装前外观检查

燃料组件拆装前进行外观检查，检查各层定位格架位置是否有异物、待拔取燃料表面状态、上管座及套筒螺钉完整性。

1.2.2 上管座拆卸

使用上管座控制工具锁定组件上管座后，在水下监控系统辅助下， 用螺钉拆卸工具依次拆除和取出24 颗套筒螺钉。

将拆下的螺钉依次放入螺钉收集桶内，将旧螺钉转移至螺钉专用保存容器内，使用上管座抓具取出上管座，将工具及上管座放置于工具架上暂存。

1.2.3 燃料棒拔取

通过工具定位待拔燃料棒位置，在水下监控系统辅助下，确认定位工具定位准确，无明显偏移或者错位。

将燃料棒抽取工具插入工具定位孔，按照设定的拉拔力限值实时观察拉拔力变化并提升破损燃料棒。当破损燃料棒完全抽离燃料组件，将燃料棒插入指定储存容器。

在燃料棒拔取过程中，通过导向板间隙对燃料棒表面状态进行外观检查。

1.2.4 不锈钢棒复装

使用燃料棒抽取工具取出哑棒（不锈钢棒），通过定位工具将不锈钢棒插入燃料组件空位。

不锈钢棒下端头进入各层定位格架前，通过视频监控系统观察不锈钢棒与定位栅元的对中性，采用点动方式，缓慢下降，待不锈钢棒下端头通过定位栅元，则匀速继续完成不锈钢棒复装。

多根需修复的单棒则重复以上步骤，在其他位置进行燃料棒的抽取和不锈钢棒复装。

1.2.5 上管座复装

使用上管座抓取工具将上管座移至燃料组件正上方接触导向管表面，通过缓慢的左右前后移动将上管座恢复到位，根据套筒螺钉安装工艺，依次安装新螺钉，并进行胀形。胀型完成后，对套筒螺钉进行过规检查，确保上管座满足控制棒组件及可燃毒物组件配插要求。

1.2.6 复装后检查

组件复装完成后，对其进行整体外观检查，确认各层定位格架无异物、复装不锈钢棒、上管座及套筒螺钉安装到位，检查完成后将燃料组件返回水池暂存。

2 拆解修复技术风险控制研究

已辐照破损燃料组件的修复，其全部过程在水下完成且辐照后上管座螺钉、格架弹簧夹持力、燃料组件变形程度等都无法得到实际测量数据。 因此，修复过程对于关键参数应当采取保守值，以避免对燃料组件造成二次损伤。

2.1 上管座螺钉旋松力矩

根据AFA3G 燃料组件制造技术要求， 上管座螺钉在不加润滑剂情况下， 螺钉扭矩为7.8±0.2daN·m，在拆除上管座螺钉时， 考虑水具有一定润滑作用，同时考虑长杆操作力矩传导损失，采用设计院保守计算值15N·m 作为旋松力矩。 同时，需要注意的是，在旋松过程中，需采取对称位置、由内到外逐一旋松，防止上管座单侧旋松后倾斜，导致螺钉倾斜无法拆解。

在国内某电厂燃料组件修复工作中， 通过对四组辐照3～4 个循环的燃料组件上管座的拆解， 实测数据比理论设置值更小，其螺钉拧松力矩范围从4 N·m 至12 N·m不等，平均值在7.724 N·m，在设计预估值范围内，实际经过辐照后的螺钉拧松力与理论计算基本相符。

上管座复装时，根据螺钉安装编号次序，依次将上管座螺钉进行1 N·m 的初拧，确认所有螺钉均可初拧后，进行进一步拧紧，设置拧紧力矩8.5 N·m，依次完成所有螺钉复装。

2.2 乏燃料单棒抽取过程拉拔力

已辐照燃料组件，因经过若干循环辐照后，格架弹簧的夹持力减小，抽取过程中抽取力的控制亦采用保守值。 此项工作开展前，已对假组件进行模拟拆装演练，假组件单棒的抽取依次通过8 个定位格架及3个跨间搅混格架， 抽取力的变化范围在100～300 N。模拟过程中根据格架自下而上逐层递减的抽取力比例，考虑浮力以及相关拔棒工具的自重因素，设置保守的抽取力。

本文选取在国内某电厂不回堆燃料组件进行乏燃料单棒抽取，目标组件及燃料棒均完整，无破损情况。

通过保守预估各层拉拔力理论限值与实际拉拔力数据进行对比，可以明显地发现，经过3～4 个辐照循环以后的燃料组件，格架弹簧夹持力已远远小于新燃料组件，其拉拔力的范围小于理论计算值。

2.3 燃料组件变形量

单棒抽取后随即回插哑棒，需考虑燃料组件变形量对哑棒回插的影响。 若组件变形量较大，如S 形、O形、香蕉形等，则存在哑棒回插到格架外条带以外的风险。 通过测量燃料组件弯曲度，定量地得到组件最大弯曲量及弯曲位置。

本文选取其中一组组件变形量测量为示例，测量结果表明燃料组件第三循环最大弯曲度小于3 mm（面2），未见明显弯曲，燃料组件面2 整体有外凸趋势，最大位置在第5 层大格架。

复装用不锈钢哑棒一般采用锥形下端头的结构。通过对比分析， 目标组件最大偏移量为3.81 mm，用于复装的不锈钢哑棒下端头最小半径为0.6 mm，远小于偏移量且锥形结构有利于在偏移的情况下顺利通过格架，保证复装工作顺利。

如果组件最大偏移量过大，即超过哑棒最大半径4.8 mm，则有回插过程超出格架外条带的风险，现场需要谨慎考虑实施。

3 结论

（1）本文通过对燃料组件结构的研究，结合压水堆现场实际条件，给出燃料组件拆解修复修复主要流程；（2） 本文通过研究组件拆解修复过程可能出现的风险，给出修复过程中风险点的控制，验证是保守且切实可行的；（3） 本文实施的燃料组件为高燃耗未出现破损的乏燃料组件，对于破口较大的乏燃料棒或燃耗较浅的燃料组件，其关键考虑参数应根据实际情况保守考虑；（4） 该技术研究已在国内某电厂机组顺利实施，完成了多根高燃耗乏燃料组件单棒的抽取与多组组件修复，安全性与可实施性良好。