钠冷快堆内置式燃料破损探测工艺系统研究

王刚++罗瑞

摘 要：本文主要介绍了法国Phenix快堆燃料破损缓发中子检测系统和破损燃料组件在线定位探测系统，结合现有的技术水平对内置钠取样燃料破损探测与定位系统、方法和主要设备进行技术成熟度和可靠性评价。在此基础上提出内置式燃料破损探测方案及具体化意见，为我国示范快堆（CFR600）、商用快堆内置式燃料破损探测工艺研究提供理论参考。

关键词：快堆 燃料破损 探测 定位 缓发中子

中图分类号：TL364.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（c）-0098-04

由于快堆功率密度大、燃耗高，导致燃料元件辐照强、温度梯度高。元件内裂变气体累积产生的高压，尤其是燃料肿胀，加剧了燃料元件破损[1，2]。随着MOX燃料和包壳材料与元件设计制造技术的发展，燃料破损率会降低，但大型快堆和商业快堆的发展对燃料元件破损探测，特别是快速定位有非常高的要求。

目前较成熟的内置取样缓发中子探测系统是法国凤凰（Phenix）、超凤凰（Super-Phenix）快堆的燃料破损检测、定位系统。本文主要参考法国快堆燃料破损缓发中子检测系统和破损燃料组件在线定位系统，结合现有的技术水平对内置钠取样燃料破损探测与定位系统、方法和主要设备进行技术成熟度和可靠性评价，从理论上提出内置式燃料破损探测方案及具体化意见。

1 Phenix燃料破损缓发中子检测与组件定位系统

缓发中子检测系统的检测方式主要有两类，一类是安装在堆芯容器外（外置式），测量先驱核素释放的穿透堆芯容器的缓发中子；二是采用取样方式，把钠引到远离堆芯处进行缓发中子探测。外置式的探测信号主要受堆芯泄漏的中子和γ射线的影响，尽管有中间换热器等堆内设备的屏蔽作用，本底仍比缓发中子信号强很多。特别是随着快堆功率上升、堆芯主容器尺寸增加、流经堆芯钠流量增大，單根元件破裂释放到钠中的缓发中子先驱核素浓度会大幅降低，增加了堆芯容器壁面外置缓发中子探测的探测难度[3，4]。

1.1 Phenix燃料破损缓发中子检测系统

Phenix采用钠取样方式进行缓发中子监测，沿堆芯容器周向布置与中间换热器数目相同的采样探测系统，并由主容器顶盖垂直插入堆容器，一般靠近主泵侧。顶盖上布置的位置示意图如图1所示。每个内置采样系统有一个固定在堆容器内周围隔热板上的笛形采样管，高度在主容器钠液面下2m左右，距离堆中心轴线径向距离9m左右，且圆周采样管在周向有一定交叉重叠，每个采样堆芯管可以采集堆芯容器约1/6周长的钠样。多个探测器与交叉取样还可以实现破损燃料元件的粗定位[5，6]。

1.2 燃料破损组件的定位系统

Phenix快堆的定位系统由电磁泵、切换阀、探测模块、采样管等设备构成。电磁泵为取样提供动力，位于钠液面以下，与堆芯容器外有专门的供电通道连接。取样钠经过采样管、切换阀，再进入钠液面以上的电磁流量计，然后进入缓发中子检测模块，最后钠流经气体分离器后返回钠池。

Phenix总共有121根采样管，连接在一个大基础盘上，大切换阀每次选择若干组，每组3根采样管或一根采样管，送到小切换阀，小切换阀又可以将对3组或一组进行选择输送到电磁泵，最终形成3种采样模式：G1模式，仅一根采样管以获得单个燃料组件出口钠样；G3模式，3根采样管以同时获得3个燃料组件出口钠样；Gn模式，同时获得9根采样管钠样，表示整体堆芯的钠取样（或者是有些采样管作为专门的整体堆芯采样而没有特定地对准某一个燃料组件钠出口）。特别要指出的是，采用不同模式时，对燃料破损探测有很大区别，G1模式灵敏度为1800cps/cm2，G3模式灵敏度为600cps/cm2，而Gn模式时，灵敏度仅为15cps/cm2[7]。

2 燃料破损探测与定位系统可靠性分析

2.1 燃料破损探测与定位系统应用

Phenix第一根破损元件的定位是采用G3模式进行的，即每次取样探测3根取样管混合钠样的缓发中子。具体探测过程如下。

（1）反应堆启动30d裂变气体信号都很高，后期轻微降低。

（2）裂变气体信号爆发，测量裂变气体“年龄”。

（3）裂变气体信号爆发8h后，缓发中子信号升高。其中有3个组件位置探测到的缓发中子信号超过比例为15%的阈值，其中又有一个探测位置有高得多的缓发中子信号。

（4）反应堆继续满功率运行6h，启动FFL系统以G3模式寻找破损元件。

（5）手动停堆。

在整个FFL系统定位过程，还根据钠流的流动与混合情况、钠取样缓发中子探测器（FFD）信号等信息，辅助判断破损燃料元件的大致位置。

Phenix于1980年又增设了一个裂变气体的破损定位系统（Gas-LRG），以期在反应堆不停堆的情况下，利用LRG系统实现“漏气”燃料元件的定位。总之，Phenix破损燃料缓发中子检测及在线定位系统能完成不停堆情况下的破损燃料检测与定位，从而为快堆电站操作提供准确信息。

2.2 可靠性与成熟度分析

内置钠取样快堆燃料破损探测和定位系统已经有近五十年的研发与应用历史，一些系统已有探测与定位实际快堆燃料破损的经验，各国对已有的系统也有不少的改进，中子探测器、电磁泵和切换阀等几个关键设备也有很好的研究、应用和发展，技术和设备没有不能克服的缺点。表1列举和评述了内置钠取样燃料破损探测与定位系统、方法和主要设备的基本情况、应用例子和可靠性与成熟度。

综合表1的分析，可以看出中子探测器（包括硼和氦）、单级单层切换阀和小流量沉没式电磁泵（包括电导和感应泵）都是可靠性高的设备，由它们组成的系统在多个快堆有稳定和可靠的性能表现。

3 钠冷快堆内置式燃料破损探测系统设计

参考法国Phenix快堆燃料破损缓发中子监测系统和破损燃料组件在线定位探测系统，采用可靠性高的探测设备，本文提出了研发燃料元件破损探测与定位合二为一系统的设想，基本的设想是：采用同一套系统同时承担燃料破损探测和定位工作，即平时系统进行燃料破损探测，破损探测时切换阀不工作，并且设立专门的破损探测取样管和切换阀相应通道处于“常接通”位置，一旦检测到破损，系统启动定位程序进行破损组件定位。具体的方案是：endprint

（1）在快堆小旋塞（中心旋塞）中心测控柱布置燃料元件破损钠中取样探测与定位系统，系统由采样管、切换阀、电磁泵（以上设备位于堆容器钠液面下），流量计、钠回热器（位于堆容器钠液面上）、钠样品室、中子探测单元、切换阀操作机构、电器控制等（这些位于堆外）组成。如图2示所示。

（2）整个破损探测与定位由这样独立的3～4套系统组成，每套系统有独立的破损探测取样管3～4根，全部破损探测专门采样管数量为12根，取样入口布置在堆芯周围，并且每一根采样管布置两个标高不同的取样口；全部定位取样管数量在60～120之间，钠取样口布置在燃料组件上方，每一根取样管布置距离堆芯钠出口平面距离约300mm取样口，以使每根取样管平均可以覆盖6～9个燃料组件。取样管覆盖堆芯出口区域的示意如图3示。

（3）发展一套根据相邻多个采样管（3～9个）定位探测信号，采用“三角测量”技术或中子通量比值方法等，精确定位破损燃料组件位置的信号处理软件，主要是确定组件钠流量（堆功率）对定位参数的影响。同时综合裂变气体探测信号的燃料元件年龄、气体标记等信号，获得准确定位的方法和实施步骤。

4 結语

随着我国示范快堆、商用快堆的不断发展，对快速探测和精确定位破损燃料提出更高的要求。结合现有快堆堆内探测中较为成熟技术，本文提出的内置式燃料破损探测与定位系统，能满足大型快堆燃料破损探测、定位需求。用原来的燃料破损定位系统作为破损探测不仅可以去掉原有破损探测专门系统（这个一般安装在靠近中间换热器处），提高了系统可靠性及探测灵敏度。

参考文献

[1] 谢光善，张汝娴.快中子堆燃料元件[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2] 黄逸达，邓俊献.反应堆破损燃料元件的监测和定位[M].北京：原子能出版社，1993.

[3] Krasnoyarov NV，Kongashov VV，Polyakov V1， et al.Yield of gaseous fission products from defective fuel elements in the bor-60 reactor[J]. Soviet Atomic Energy，1975，38（2）：89-93.

[4] RR Smith，CB Doe，ER Ebersole.EXPOSED-FUEL CALIBRATION STUDY IN EBR-II[J]. Trans.amer.nucl.soc，1969（1）.

[5] CD，Crawford DL Porter，SL Hayes.Fuels for sodium-cooled fast reactors：US perspective[J].Journal of Nuclear Materials，2007，371（1-3）：202-231.

[6] MP Chantot，JP Pages，A Paziaud，et al.Phenix reactor： equipment for fuel failure detection and location[A].Proc. IAEA Conf.， In-Core Instrumentation and Failed-Fuel Detection and Location[C].1974：313-330.

[7] AA Blyskavka，AV Moiseev，My semenov，et al.Accuracy Analysis of BN-600 power density calculations[J].Atomic Energy，2010，108（2）：79-88.

[8] 潘冬梅，陈冲.基准快堆例题BN-600对VisualBUS4.2的测试[J].核技术，37（11）：73-80.endprint