压水堆乏燃料棒涡流探伤技术研究

刘歆粤 罗曼 王华才 朱欣欣

摘要：針对秦山一期核电站辐照后的乏燃料棒探伤检验，文章在热室中建立了一套可远程控制的涡流实验装置，对乏燃料棒进行了全尺寸涡流探伤；检查发现燃料棒包壳完整，无穿壁性缺陷和内外壁裂纹，仅在外表面出现了一些小的划伤；涡流探伤结果与外观检验结果一致，这是首次在国内热室对全尺寸乏燃料棒进行的涡流探伤工作。

关键词：涡流探伤  乏燃料棒  热室  压水堆  辐照后检验

中图分类号：TL421.105             文献标志码：A            文章编号：

Research on Eddy Current Testing Technology for the Spent Fuel Rod in Pressurized Water Reactors

LIU Xinyue  LUO Man  WANG Huacai  ZHU Xinxin

（China Institute of Atomic Energy， Beijing， 102413 China）

Abstract： In view of the flaw detection test for the spent fuel rod after irradiation in the Qinshan PhaseⅠnuclear power plant， this paper sets up a set of eddy current experimental equipment that can be remotely control in the hot cell， carries out  eddy current testing for the full-scale spent fuel rod. After the examination， it is found that the cladding of the fuel rod is complete， without through-wall defects and inner and outer wall cracks， and with only some small scratches on the outer surface. The result of eddy current testing is consistent with that of appearance inspection. This is the first eddy current testing for the full-scale spent fuel rod in the hot cell in China.

Key Words： Eddy current testing; Spent fuel rod; Hot cell; Pressurized water reactor; Post-irradiation examination

核燃料组件是反应堆的重要组成部分。燃料棒包壳管在堆内使用时要面临高温、中子辐照、表面高速水介质冲刷、芯块包壳相互作用及内部裂变产物腐蚀等情况，这些因素都有可能使包壳产生缺陷或使原有缺陷扩展，造成潜在危害。因此，为积累和分析辐照后燃料棒结构、性能变化数据，以改进燃料组件制造工艺，提高国产化制造水平，需要对乏燃料棒进行一系列的辐照后检验工作。

针对乏燃料包壳缺陷的无损检测，一般采用外观观察的方式进行。中国原子能科学研究院反应堆材料辐照后检验研究室在CARR配套热室中，首次运用涡流探伤技术[1-4]，对秦山一期8根乏燃料棒进行了全尺寸涡流探伤研究，建立了一套可远程控制的涡流实验装置，填补了我国压水堆乏燃料涡流探伤研究的空白。此前，在我国核工业领域，对涡流探伤技术的研究主要集中在对主泵、汽轮机、蒸汽发生器等设备的管材和燃料棒包壳管的检验检测[5]。

1 背景

秦山核电站利用现有的燃料组件修复装置，抽取了8根燃料棒进行热室检验，其目的是通过秦山核电厂燃料棒辐照后检验，获取辐照后燃料棒结构、性能变化数据，验证国产组件的设计和制造工艺的合理性和可靠性，积累压水堆燃料棒辐照性能数据，将检验结果反馈到燃料设计、制造、运行部门，为改进燃料组件的制造工艺、提高国产化制造水平、加深燃耗提供依据。

热室对接运输容器吊篮见图1所示。待检测燃料棒由上端塞、包壳、下端塞，以及其中的燃料芯块与弹簧构成，结构形式见图2所示，相关参数见表1。包壳管材料为Zr-4合金，包壳厚度为0.7 mm，燃料棒外径为10 mm，包壳内径为8.6 mm，燃料棒总长度为3 200 mm。

2  实验

2.1  设备

研究所用的设备为中国原子能科学院反应堆材料辐照后检验研究室自行设计的CARR热室多功能台架。整套涡流探伤装置包括热室内的台架、环绕式涡流线圈、热室外的涡流仪[6]、计算机、步进电机、电源和控制系统，其系统布置如图3所示。该装置可将燃料棒固定于卡盘和支架上，以保证检测时燃料棒可平稳穿过涡流检查测量架，获得可靠数据，扫查速度和扫查间距均可自动控制。整套检测装置放置于热室内，计算机与控制系统位于热室前区，进行检测时实验人员位于热室前区，用计算机对系统进行控制，实验人员与实验台架进行物理隔离，这样可以保证实验人员免受放射性部件的辐射危害。

2.2 人工缺陷参比试样制备及其标定

涡流检验是一种间接的检验方法，需要先用具有已知缺陷大小和类型的参比试样对仪器进行标定[7]，通过与参比试样的信号比较获得检验结果[8-9]。因此，检验燃料棒前，首先加工制造了和乏燃料棒包壳同样材质的参比试样，其人工缺陷参考试样相关参数见表2。

涡流探伤时前先用机械手将Zr-4材质的参考试样放置于台架上，利用热室内涡流探伤装置对其进行检验，人工缺陷参考试样涡流检测结果如图4所示。不同尺寸、类型的缺陷可由X、Y方向的数据曲线形状看出。

2.3 检测结果

根据人工缺陷参考试样检测结果，从距底端47 mm处对乏燃料棒依次进行涡流探伤检查。其结果为燃料包壳保持完整，无穿壁性缺陷、内外壁裂纹，格架位置处由于燃料棒表面有磨痕出现较明显的信号[10]。选取其中3根燃料棒涡流探伤检查结果与其外观观察结果进行对比，可认为整套涡流检测结果真实可靠，涡流装置可较好地完成相关检测任务。涡流检查结果如图5所示，外观观察结果如图6所示。

3 结语

这是我国首次对全尺寸乏燃料棒进行的涡流探伤工作，在热室内，对长尺寸燃料棒涡流探伤检测具有一定挑战性，在操作和实验方面都有一定风险和难度，检验是乏燃料棒无损检测的良好实践。该涡流探伤实验台架及检测系统可以稳定、高质量地完成行走、数据采集等动作，可靠性较高，且有自主知识产权，可为我国今后热室内无损检测技术尤其是涡流探伤技术的发展提供参考。通过与外观结果进行对比，该装置的检测结果真实可靠，可为核燃料的堆内行为分析、性能提升、破损原因分析提供数据支撑。

参考文献

[1] 冯建章.无损检测技术在特种设备检验中的应用[J].造纸装备及材料，2021（11）：8-10.[2] 張卫明，岳明明，庞炜涵，等.涡流阵列检测技术的研究进展现状分析[J].机械制造与自动化，2018，47（1）：181-183.