压水堆核电站乏燃料元件γ扫描测量

朱欣欣，章安龙，王 鑫，王华才，梁政强

(1.中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究部，北京 102413；2.大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518124)

燃料元件包壳是核电站防止放射性物质外泄的第二道也是最重要的屏障，一旦燃料元件包壳破损，放射性裂变产物就会进入一回路冷却剂，给运行安全带来较大的影响。燃料元件破损原因分析一直是业界十分关注的课题，目的就是进一步提高燃料元件的安全性能，因此对核电站安全、经济运行具有重要意义。

在燃料元件辐照后热室检查中，γ扫描测量作为无损检测手段之一，可获得燃料辐照行为的相关信息[1]，包括燃料芯块堆积高度、芯块-芯块界面定位、芯块-芯块间隙大小评定、挥发性裂变产物迁移、破损元件燃料缺失、元件轴向燃耗分布等。此前国内完成的大量燃料元件辐照后检验中，检验的对象均为完整燃料元件，因此γ扫描的结果多用于评价相对燃耗分布等宏观性能。近期，中国原子能科学研究院承担了某压水堆核电站破损燃料元件的热室检查。本次检验中，拟利用137Cs核素易挥发的特性，通过γ扫描的方法获取破损元件137Cs分布及迁移流失情况、相邻完整元件轴向相对燃耗分布等重要数据，以筛查破口位置，为燃料元件破损原因分析及堆内行为分析提供依据。

1 γ扫描测量装置和测量方法

1.1 测量装置

图1 γ扫描测量装置示意图Fig.1 Schematic diagram of gamma scanning device

γ扫描测量装置布置示于图1。该装置主要由以下几部分组成：1) 燃料元件及其传动装置，传动装置将燃料元件传送至准直器狭缝处，并精确定位，完成整根元件棒的轴向扫描测量；2) 准直器，铅准直器装在不锈钢套管中，热室内的准直器狭缝宽度为0.5 mm，位于探测器前的狭缝宽度为1 mm；3) γ谱仪系统，该系统的探测器为CANBERRA公司生产的GC4018型P型同轴HPGe探测器，安装在热室前区，获取数据用的多道分析器为8 192道；4) 在热室内准直器周围和探头周围安装有铅屏蔽，以减少本底γ射线对测量的影响。

1.2 测量方法

1) 燃料元件相对燃耗分布测量

对于完整元件，以137Cs为燃耗监测体[2-3]，移动燃料元件，使准直器狭缝对准燃料元件轴向不同位置进行γ扫描测量，解谱获得Eγ(137Cs)=661 keV能量处的峰净面积(计数)，除以各点测量活时间后得到137Cs计数率。在整根元件上共取近300个点，以得到整根元件上137Cs放出的γ射线强度的相对分布，即燃料元件轴向相对燃耗分布。为便于各元件之间的比较，137Cs计数率均根据燃料元件冷却时间换算到出堆时刻的计数水平。

2) 破损元件Cs迁移

采用与1)相同的测量方法获得破损元件轴向137Cs分布，得到燃料段Cs的迁移情况，在存在Cs向冷却剂流失的情况下，通过与相邻元件对比或完整元件137Cs计数率与燃耗的关系，计算得到燃料段Cs的流失水平。

3) 燃料缺失

燃料元件破口处可通过低挥发性核素154Eu的计数水平判断燃料是否缺失[4-5]，根据137Cs轴向分布、外观检查、X光照相结果，对破损元件破口处及周边进行长时间测量，得到154Eu分布情况，从而验证并获得燃料缺失情况。

2 测量结果与分析

4根完整元件及4根破损元件的相关信息列于表1，其中W代表完整元件，P代表破损元件，W1与P2为同一燃料组件中相邻元件，W3与P4为相邻元件，相邻元件具有相近的功率运行史及燃耗，其余元件来自于不同组件。

2.1 137Cs轴向分布

4根完整元件棒的137Cs轴向分布曲线示于图2。横坐标0 mm处为燃料元件下端燃料活性区起始点。燃耗总体呈两端低、中间平坦式分布，与堆内中子注量分布相关。

表1 乏燃料元件相关信息Table 1 Information of spent fuel element

图2 4根完整元件137Cs轴向分布Fig.2 137Cs axial distribution of 4 intact fuel elements

图3 4根破损元件的137Cs轴向分布Fig.3 137Cs axial distribution of 4 failed fuel elements

4根破损元件的137Cs轴向分布示于图3，其中破损元件P4的137Cs轴向分布示于图4。与完整元件相比，破损元件均存在不同程度的Cs迁移流失。与外观检查比对发现，在破损位置，137Cs计数率降低，以燃料包壳轴向产生多处破口的破损元件P4为例(图4)，137Cs计数率曲线上的每个低谷均与1个破口相对应，因此可通过γ扫描辅助破口定位，对其中距底端3 120 mm处破口采用1 mm间隔测量，结果示于图5。由图5可见，破口处137Cs计数降低区域宽度约10 mm。建议在对破损元件检验时，γ测量扫描间隔按不大于2 mm进行测量。

图4 破损元件P4的137Cs轴向分布Fig.4 137Cs axial distribution of P4

图5 P4元件距底端3 120 mm破口处137Cs分布Fig.5 137Cs distribution at failed position(3 120 mm above bottom) of P4

2.2 Cs迁移

由图3可见，破损元件P1在1 200 mm处存在Cs流失，破损元件P2在3 000 mm处存在Cs流失，其余位置未见明显Cs迁移，与外观检验破损位置相对应。

破损元件P3在400～3 200 mm范围内，137Cs大量流失，外观检查表明，距底端980 mm处有一较大破口，为Cs向冷却剂流失的主要通道，向两边Cs呈梯度分布。在0～800 mm范围，存在部分突高点，因此采用2 mm间隔扫描，结果示于图6。由图6可见，137Cs计数出现峰值，两峰值间的间隔恰好为1个芯块高度，根据Cs的冷端迁移特性[6]分析认为，在此区域Cs向芯块间隙迁移聚集。在全棒轴向扫描中，距底端3 685 mm处仍存在137Cs计数，且呈升高趋势，与其他7根元件燃料区长度对比表明，Cs已向弹簧气腔段迁移沉积。

破损元件P4由于存在多处破口，在800～3 400 mm范围内137Cs存在明显迁移，从破口处进入冷却剂中，Cs均匀流失形成平坦式分布。与相邻燃耗相近的完整元件W3对比表明，上下两端Cs的迁移情况与W3的相似。

图6 P3元件2 mm间隔测量结果Fig.6 Measurement result of P3 with 2 mm interval

图7 137Cs平均计数率与燃耗的关系Fig.7 Relationship between average 137Cs count rate and fuel burnup

根据137Cs轴向分布曲线，通过对全棒137Cs计数率积分后除以燃料区长度，可得到全棒137Cs平均计数率，8根燃料元件平均137Cs计数率与燃耗的关系示于图7。由图7可见，4根完整元件之间具有很好的线性关系，y=0.840 81+1.383 84x，R2=0.999 98，4根破损元件因Cs的迁移流失，存在不同程度的线性偏离。根据完整元件线性拟合公式计算得到，破损元件P1的Cs流失量为4.5%，P2流失3.6%，P3流失27.5%，P4流失20.9%，Cs的流失水平与元件棒线功率、破损情况及破损后运行时间等有关。

蒲治宇(1997-)，男，四川工商学院计算机学院学生，主要研究方向为云计算、大数据及计算机算法理论。E-mail:969308497@qq.com；

对于相邻元件W3、P4，由于燃耗较高，在轴向137Cs分布测量中，同时获得了满足一定统计误差的134Cs计数，采用内部效率自刻度[7]，得到了134Cs/137Cs原子比。134Cs是裂变碎片中子俘获的结果，其生成量与中子注量的平方呈正比，134Cs/137Cs比值与中子注量近似呈正比，与燃耗也近似呈正比。W3轴向134Cs/137Cs原子比分布示于图8。由图8可见，完整元件W3的134Cs/137Cs原子比轴向分布与137Cs轴向分布趋势一致，说明134Cs/137Cs比同样适用于燃料元件轴向相对燃耗分布的表征。

图8 完整元件W3轴向134Cs/137Cs原子比分布Fig.8 Axial 137Cs and 134Cs/137Cs atomic ratio distribution of intact element W3

图9 相邻元件W3、P4的134Cs /137Cs原子比轴向分布Fig.9 134Cs /137Cs atomic ratio axial distribution of sibling element of W3 and P4

2.3 燃料缺失测量

为得到满足一定统计误差的154Eu计数，需要测量的时间较长，因此选取了部分破口处进行测量。破损元件P2，对距底端2 997 mm处破口，在破口处及其两端取3点(2 970、2 997、3 012 mm)分别进行1 h测量，137Cs、154Eu计数分布如图10所示。破损位置易挥发性核素Cs流失明显，低挥发性核素154Eu未发现有明显下降，因此初步推断破口处燃料芯块基本没有缺失，只有易挥发性裂变产物流失，与X光照相检查结果相一致。

图10 元件P2破口处长时间测量Fig.10 Measurement at failed position of P2

破损元件P4，对距底端3 120 mm处破口，在破口位置及两端5个位置(3 020、3 090、3 120、3 150、3 220 mm) 分别进行1 h测量，137Cs、154Eu计数分布如图11所示。破损位置易挥发性核素Cs流失明显，低挥发性核素154Eu未发现有明显下降，因此初步推断破口处燃料芯块基本没有缺失，只有易挥发性裂变产物流失，与X光照相检查结果相一致。

图11 元件P4破口处长时间测量Fig.11 Measurement at failed position of P4

破损元件P1的X光照相结果显示，在距底端1 193 mm处破口存在燃料缺失，缺失处位于芯块端部，如图12a所示。在137Cs计数最低位置找到芯块间隙，分别在间隙处+1、+6.5、+12 mm处(燃料缺失芯块的两端及中间)进行5、1、1 h测量，1 274 keV能量峰净计数分别为1 170、275、282，换算为1 h计数率如图12b所示，燃料缺失处低挥发性核素154Eu计数下降，较其他两处下降约16%。

图12 元件P1破口处长时间测量Fig.12 Measurement at failed position of P1

3 结论

2) 破损元件破口处存在137Cs计数突变(降低)，因此可通过轴向γ扫描辅助破口位置定位，破口处137Cs计数降低区域宽度约10 mm，建议对破损燃料元件测量时扫描间隔不大于2 mm。

3) 燃料元件破损后，存在Cs流失的情况下，破损元件134Cs/137Cs原子比分布与相邻完整元件基本一致，表明134Cs、137Cs流失比例近似相等，可用134Cs/137Cs原子比表征其相对燃耗分布。

4) 破口处可通过低挥发性核素154Eu计数水平判断燃料芯块是否缺失及缺失程度。

以上结果可为燃料元件破损原因分析及堆内行为分析提供重要依据。