核电厂取消离线啜吸装置的分析

陈建新，王学斌（海南核电有限公司，海南 海口 570105）

核电厂取消离线啜吸装置的分析

陈建新，王学斌
（海南核电有限公司，海南 海口 570105）

文章针对秦山核电二期扩建工程和海南核电两台核电机组在离线啜吸装置选型过程中出现的问题，进行了深入的分析，对离线啜吸装置和UT检测设备使用情况进行了对比分析，最终取消离线啜吸装置，为项目投资节省近千万元。文章对新建电站类似装置采购有一定的借鉴意义。

离线；啜吸；UT；装置

1 背景

2006年，秦山核电二期扩建工程开始启动离线啜吸装置（乏燃料破损检测设备）项目采购活动，但是在市场调研过程中由于技术方案原因，采购选型遇到了很大困难。2010年海南核电项目在采购同样装置也遇到类似问题。

1.1 原秦山二期1、2号机组离线啜吸装置情况

原秦山二期1、2号机组离线啜吸装置由西安核设备有限公司引进法国法玛通公司技术制造，其功能是定量检测破损燃料组件破口的大小。但由于秦山二期机组运行控制较好，目前为止未发生过燃料组件破损事件，所以系统出厂至今未进行过破损组件的检测，只是进行定期维护，是否能达到设计要求还有待考证。

1.2 扩建工程离线啜吸装置采购要求

扩建工程离线啜吸装置采购技术规格书与原1、2号机组技术规格书基本一致，与现1、2号机组使用设备功能要求一致。

1.3 使用部门对1、2号机组离线啜吸装置的反馈

项目启动前，为了采购到符合要求的设备，设备采购部门咨询生产使用部门，了解到1、2号机组设备使用中存在的问题。

1）原离线啜吸检测装置是由国内厂家引进法国法玛通公司技术制造，但设备的大部分核心部件全部进口，一旦损坏，备件的购买可能存在较大困难，技术支持也存在问题。经向AREVA NP公司询问，原离线啜吸装置的设计厂家已经不存在。

2）设备庞大，部件众多，内部管线布置复杂，安装时出于安全考虑，设备固定在乏燃料池边上（靠墙），空间非常有限，给设备的操作和维修带来极大困难。

3）由于核电厂至今还没有发生过燃料组件破损，该设备还没有用于检测破损组件的实例，从出厂至今未进行过燃料组件破损的定量测量，设备是否能达到设计要求还有待考证，不确定性较大。

4）定量计算破口尺寸的软件是外方开发的，中方尚未正式使用和验证过，相关的核心技术中方没掌握。

5）检测一组破损组件的时间为2～3 h，时间较长。

6）对待检测组件有一定的要求（从堆芯卸出后的5 d内），这可能与倒换燃料相关组件的操作时间产生冲突。

7）目前世界上较为先进的乏燃料破损检测技术为超声波检测技术，检查所需时间短，灵敏度高。

根据以上7点，生产使用部门建议扩建工程采购乏燃料破损检测设备时考虑用UT检测设备替换原1、2号机组离线检测装置。

为了更好地分析问题，下面介绍啜吸装置的功能和用途。

2 啜吸装置的功能

为了检查燃料的完整性，在每次装卸料过程中，啜吸装置均启用。它分为在线和离线两套设备。

2.1 在线啜吸装置

该装置安装在反应堆厂房的装卸料机上，用于检测燃料组件的破损，每组燃料只要在固定的套筒内停留检测2 min，就可快速地逐束对燃料组件进行定性检测，以查出破损的燃料组件。反应堆换料时，装卸料机抓具抓住燃料组件从堆芯提出，组件在套筒内上升到上部位置时，由于燃料组件所受外压减少，加速了裂变气体从破损的燃料包壳内向外释放，同时啜吸检测装置的注气筒从套筒底部注入压缩空气，气流带出从燃料棒漏出的裂变气体上升至套筒内水面上，位于此处的抽气管把这部分气体抽入γ活度测量系统进行检测。

2.2 离线啜吸装置

该装置安装在每台机组的燃料厂房内，用于定性检测辐照燃料组件的严密性和定量检测燃料包壳破损的大小。它可以使核电厂运行者减少由于把破损的燃料再次插入反应堆而引起的问题，并避免乏燃料转运到后处理厂过程中的污染问题。离线啜吸装置的作用是在燃料组件周围创造检测所需的稳定的、特定的和可重复的条件。为了达到这些条件，把燃料组件装入啜吸室内，啜吸室可将燃料组件隔离，并升高其温度，加热通过燃料组件放出的余热和附加的加热装置来实现。加热使燃料包壳内的压力升高，如果包壳不严密，就向外排放裂变产物。这些裂变产物随后被循环的流体带走，通过比较加热前后流体的γ活度，就可以探测裂变产物的存在，从而鉴定出破损燃料，并确定燃料包壳裂纹的大小。设备具备在线测量与离线测量的功能。在线测量是指在啜吸室筒内的水升温，裂变产物由循环的流体带出，气体流过计量罐，计量罐与γ活度测量通道相连提供一个即时的读数；离线测量是指通过取样瓶取出的水和气体送往实验室分析而实施的测量。

该装置在离线啜吸装置探测到燃料泄漏后启用，进行定量测量。

啜吸试验流程如下：

在反应堆运行过程中，当冷却剂中裂变产物的活度监测并使用计算机软件分析计算发现有燃料组件泄漏可能时，应对压力容器内的燃料组件全部进行在线啜吸试验，即在卸料同时，对压力容器内全部燃料组件逐组进行在线啜吸试验，以定性地探测出泄漏或怀疑泄漏的组件，将这些组件置于乏燃料水池中的破损燃料组件贮存小室内。

在检测过程中，用啜吸因子f来识别被检测的燃料组件的漏损情况。

啜吸因子f，即133Xeγ微分计数率与本底计数率之比，其中本底计数率为10组无漏损燃料组件平均测量值：

f≤1.3，燃料无破损；

1.3 ＜f≤3，怀疑燃料有破损；

f＞3，燃料已破损。

后两者必须进行离线啜吸试验测试。

离线啜吸试验主要目的是对在线啜吸试验判断为泄漏或怀疑泄漏的燃料组件进一步定量确定破损程度，为下一步判定被检组件能否入堆复用提供依据。

泄漏破损燃料组件原则上不再入堆复用，如果确实需入堆复用，则必须同时满足以下3个准则：

1）定量啜吸试验测试计算出的泄漏燃料组件漏孔当量直径小于35 μm。

2）定量啜吸试验获得的水样中，镧、钡、锆、镎等固体裂变产物的含量不出现明显高出本底的峰值。

3）装入下一循环的泄漏燃料组件总数，要根据上一循环末冷却剂放射性强度以及定量啜吸试验结果确定。

作为核电厂保守决策考虑，燃料组件出现破损应该立即停止使用，定量确定泄漏的当量直径意义不大，作为离线啜吸装置能够再次确定燃料破损，该组燃料可以不再回堆处理。所以选择一个能快速准确检测出破损燃料的装置显得更重要。

法国电站前期对此装置应用比较频繁，创造了较好经济效益。法国应用此套设备自1977年以来共检测了507组破损燃料组件，其中的179组重新装入堆芯使用，在179组组件中的131组运行了一个燃料周期，45组运行了两个燃料周期，3组运行了3个燃料周期，共节省8 000万美元，但目前随着燃料包壳材质提高，出现破损概率大大降低，该设备应用较少。

3 离线啜吸装置潜在供货商市场调研

通过分析啜吸装置的问题和功能后，设备采购部门联系了拥有较新技术和设备的生产企业，了解到目前已应用的最新燃料破损检测技术为UT检查技术。

经过市场调研，能提供新式乏燃料检查设备的厂家有西班牙对华企业联盟、AREVA NP公司、西屋公司等。

3.1 西班牙对华企业联盟UT检测设备

2007年，核电厂组织西班牙对华企业联盟对其乏燃料组件破损检测产品进行了技术交流，详细了解UT检测设备的工作原理和技术特点。

西班牙对华企业联盟乏燃料破损检测设备（UT检测设备），采用目前世界上较常用的UT探头检查乏燃料组件，可以快速检出破损的燃料组件并能具体定位破损的燃料棒，检测速度较快，一组组件的检查时间为3～4 min，一次可以完成组件中每根燃料棒状态的检查，并即时显示出结果，配合装卸料机上的在线啜吸装置使用可以达到99.8%的检出率。

其UT检查设备优点是速度快，可以确定具体破损的燃料棒，结果即时显示，同时配合另一套修复设备，可以更换破损的燃料棒，延长燃料组件的使用寿命，具有较好的经济性。同时该UT设备为移动设备，不会影响厂房土建，也可2台机组共用一套设备。

与采购技术规格书的偏离为不能测量（或计算）出燃料棒破口当量直径大小值。

3.2 AREVA NP公司检查设备ECHO-330

经和AREVA NP公司联系，了解到AREVA NP乏燃料破损检查设备ECHO-330技术特点与西班牙设备基本一致，是目前使用较为广泛的检查设备，优点和技术偏离与西班牙产品基本一致。

3.3 西屋公司的UT检查设备

设备采购部门也了解到西屋公司也有类似UT检查设备产品，由于采购方案还未确定，未与其进行接触联系。

3.4 原离线啜吸装置技术方案供货厂家

目前，西安核设备有限公司与西安核仪器厂合作开发生产原1、2号离线啜吸检测装置设备（设计方案与原1、2号机组设备一致），由于原设计支持厂家已不存在，西安核设备有限公司和西安核仪器厂将合作开发试制整套离线啜吸装置设备。

4 两种装置方案比较

以上装置大致可以划分为两类，表1将其不同点进行一个全面的对比。

表1 两种装置方案比较Table 1 The comparison of two kinds of device

5 选型分析及处理

通过对两种离线装置的技术方案的市场调研以及特点的比较，采用UT检测新技术方案的设备占优，它具有较快的检测速度、较好的精度，如配合后续的修复设备可以节约燃料，节省成本；同时由于生产厂家较多、产品成熟，较易控制产品质量和供货周期。

但由于扩建工程离线啜吸装置（乏燃料破损检测设备）采购技术规格书的要求和核电厂燃料管理政策均是在按照M310电站管理制定的，其要求与原1、2号机组离线啜吸装置设备一致，给新技术设备的采购带来困难。

鉴于核燃料管理是核电厂核心任务，任何相关改进都需要经过周密的调研和完整的分析，确保万无一失。核电厂组织各部门进行了充分的调研活动。

（1）调研情况

1）秦山一期的调研情况

一期目前使用的修复装置是从德国购买，集外观检查、啜吸装置、修复装置于一体，整个装置安装在一个独立的检查池内，池内没有燃料组件，一期先后进行了十几组燃料组件的修复，修复一组燃料组件的时间大约为36 h，修复采用的燃料棒为2.4%富集度的燃料棒，修复后的燃料组件进行啜吸、外观检查合格后，提交国家核安全局评审。

2）岭澳项目调研情况

岭澳一期采购了一套修复装置X310，该装置由法国提供，采用德国技术，合同价300万法郎（20世纪90年代价格），目前暂存在AC厂房，没有投入使用。岭澳二期不再采购该设备。

（2）UT设备应用情况

1）燃料组件修复设备应用情况

ENUSE的设备曾用于以下电厂：

西班牙：Almaraz 1, Almaraz 2, Ascó 1, Ascó 2, Vandellós 2 (17×17 RFA)；

比利时：Doel 4 (17×17 XL)；

法国：Belleville (17×17 XL)。

2）UT检测设备应用情况

UT技术已经在几个核电厂和国家广泛应用，主要用于燃料泄漏检查。

ENUSA UT 设备在以下电厂应用：

西班牙：ZORITA，Almaraz，Ascó，Vandellós；

英国：SIZEWELL-B；

中国台湾：马山电厂。

（3）对土建、机械设备接口影响

1）燃料组件修复设备对土建接口影响

燃料组件修复操作在装卸料机进行,利用核电厂的原有的设备即可，土建上不需要作变动。

2）UT检测设备对土建接口影响

UT检测是在堆芯卸料后，在乏燃料池进行。该设备放置在乏燃料池中空的格架上。用乏燃料池上的人桥吊将燃料组件吊入UT检测设备中。UT的探头在棒束通道中移动，与每一束棒接触，来探测破损组件内水的反射，UT设备不需要对现有土建进行变动。

3）燃料组件修复设备与其他机械设备上的接口

修复工作在装卸料机上进行，因此需要对装卸料的设计进行评估，如果是标准的装卸料机将很有利，可能不需对原装卸料机做任何改动。为了安装和使用修复设备，设备吊装和人桥吊设备是必需的，但修复更换燃料时则无需人桥吊设备。

4）UT检测设备与其他机械设备上的接口

UT检测在乏燃料池进行, 设备安装在空格架上，格架的结构根据检查修复需要进行重新评估。为了安装和使用检测工具,设备吊装和人桥吊设备是必需的。使用UT装置进行检测时，需使用人桥吊装置。

在线啜吸装置能够定性判断燃料组件是否破损，原则上在线啜吸装置发现燃件破损后该燃件不再回堆复用。因此原设计的离线啜吸装置（主要用于定量分析破损燃件的破口当量直径，再考虑对符合要求的破损燃件进行复用）作用不大，核电厂决定取消该套装置从安全上是不存在的问题。至于今后是否需要集中采购一台UT检测设备在集团内共享，需要集团统一考虑。毕竟UT检测设备安装和使用比较方便，而且不影响现有设计。

根据以上调研结论和分析，核电厂向安审当局提出申请，建议取消离线啜吸装置，不久就得到了国家核安全局的正式认可。

6 结束语

经过各业务部门的共同努力，该问题最终以取消离线啜吸装置为结束，为两个项目各节省了1 200万元投资，应该说是从实际出发的保守决策。当然从长远角度考虑该问题不应该就此结束。尽管燃料包壳材质逐步改进，燃料至今未出现破损，该装置显得不重要，但是今后核电厂要实行长循环战略，对燃料的可靠性的考验更严格，局部燃料组件出现破损还是有可能的。燃料破损后是整组报废，还是修复处理再回堆处理，核电厂必须有一个明确的处理思路，不能到时再思考此问题。燃料组件局部破损就全部报废，经济上损失可能比较大。建议组件的修复装置和UT检测装置可以在中核集团内部为M310同类型机组备一套，实现共享，以提高核电厂的经济效益。

Analysis of Abolishing the Offl ine Sipping Device

CHEN Jian-xin，WANG Xue-bin
(Hainan Nuclear Power Co.，Ltd.，Haikou of Hainan Prov. 570105，China)

Based on the detail analysis of CNNC Qinshan Phase II Expansion Project and Hainan Nuclear Power Plant Offline Sipping Devices selection problems, compared the Offline Sipping Device and the UT Inspection Equipment, plant design finally abolished the Offline Sipping Device, it saved nearly ten million investment. For new plant purchasing similar devices there is certain reference value.

offline；sipping；UT；device

TL37 Article character: A Article ID: 1674-1617(2013)02-0129-05

TL37

A

1674-1617(2013)02-0129-05

2012-03-13

陈建新（1971—），男，湖北人，研究员级高工，核反应工程专业，从事核电站运行、技术支持和经验反馈等工作。