CANDU堆通过冷却剂133Xe浓度趋势查找破损燃料

胡 威

(中核核电运行管理有限公司堆芯燃料处，浙江 海盐 314300)

秦山两台CANDU6反应堆查找破损燃料的传统方法为通过缓发中子扫描系统(DN)扫描380个燃料通道出口冷却剂的缓发中子计数率变化趋势来判断。由于DN系统存在设计缺陷，部分燃料通道无法从通道出口冷却剂取样，且缓发中子测量数据可信度差，破损通道查找成功率低。

本文通过分析气体裂变产物监测系统(GFP)在线连续监测冷却剂133Xe浓度的变化趋势，推测破损燃料棒束的入堆时间，确定破损燃料棒束所在的冷却剂环路。通过换料前后的133Xe浓度变化趋势，可以确定通道内是否存在破损棒束，以及破损棒束是否卸出堆芯。

1 冷却剂133Xe浓度的变化机理

冷却剂中的133Xe浓度变化机理如图1。新燃料入堆后裂变产生133Xe，燃料元件内的133Xe 浓度呈指数规律上涨，133Xe半衰期为5.3天，大约辐照20天后达到稳定浓度。CANDU6反应堆热中子通量为1014cm-2·s-1量级，燃料元件内的133Xe达到稳定的时间与中子通量水平无关，平衡浓度与中子通量水平近似成正比。燃料棒破损后，燃料元件内的裂变产物通过破口释放到冷却剂中，测量的冷却剂核素浓度会异常升高。与此同时，冷却剂中的133Xe由于衰变和向空气中的逃逸而减少。当133Xe通过燃料破口的释放速率与消耗量达到平衡时，冷却剂中的133Xe浓度达到稳定。

图1 冷却剂133Xe浓度变化机理

2 确定破损燃料棒束所在冷却剂环路

CANDU6反应堆冷却剂分两个环路，两个环路的冷却剂通过上充下泄管线、冷却剂净化管线进行交互。破损燃料棒释放的裂变产物首先进入破损通道所在环路的冷却剂中，然后通过环路间的交互流进入另一环路中，因此破损燃料棒所在的环路测量的裂变产物核素浓度较高。

在发生破损后的初期，测量的两个环路裂变产物浓度差较为明显，更容易监测到。发现燃料破损后，尽快通过GFP系统或化学取样分析的方法，分别测量两个环路的核素浓度，如果能发现两个环路的裂变核素浓度差，则可以定位破损棒束所在的环路。

3 判断破损燃料棒束入堆时间

3.1 新燃料破损

燃料棒破损初期冷却剂中的133Xe浓度出现间歇性毛刺，随着133Xe释放到冷却剂中的浓度逐渐增加，毛刺越来越多，逐渐过渡到连续性上涨。133Xe上涨速率非常很慢，达到平衡浓度时间超过1个多月，如图2所示。这种趋势对应的破损燃料棒束是新装载的，包壳出现破口时，燃料芯块和气隙中的133Xe浓度几乎为0，由于燃料中的133Xe浓度上升缓慢，导致冷却剂中测量的133Xe浓度上涨也非常缓慢。由于正常燃料棒中的133Xe浓度达到稳定的时间为20 d左右，冷却剂133Xe浓度达到稳定的时间更为滞后，在一个月以上。

图2 新燃料破损

3.2 次新燃料棒束破损

133Xe最初以微小的阶跃上涨，之后的上涨趋势与新燃料破损相似，以非常缓慢的速度持续上涨，达到平衡浓度的时间大于一个月，如图3所示。这种现象表明破损棒束入堆时间较短。入堆时间越久，初始的阶跃上涨幅度越大，达到平衡浓度需要的时间越短。破损前，燃料元件和气隙中的133Xe已积累较小的浓度，但没有达到平衡。包壳破损后，燃料元件和气隙中积累的133Xe快速释放形成阶跃上升，随后破损元件裂变产生133Xe并通过破口向冷却剂释放，导致冷却剂133Xe继续增长。

图3 次新燃料棒束破损

3.3 入堆时间较长的棒束受扰动后破损

冷却剂133Xe浓度最初呈现大幅阶跃上涨，然后由于衰变和向空气中的逃逸，浓度逐渐降低，最后达到平衡浓度，平衡浓度通常比133Xe的峰值低很多，如图4所示。这种133Xe变化趋势表明，破损棒束入堆时间较长，燃料包壳和芯块之间的气隙内133Xe破损前处于平衡浓度。因为换料等剧烈的扰动，燃料包壳和芯块间的气隙中的133Xe短时间大量释放到冷却剂中，形成阶跃上涨。随后，由于冷却剂中133Xe衰变加逃逸速率大于133Xe从燃料破口向冷却剂的释放速率，冷却剂中133Xe浓度降低逐渐达到平衡浓度。

图4 入堆时间较长的棒束在扰动下破损

3.4 入堆时间较长的棒束在稳态下破损

燃料破损后冷却剂133Xe浓度以小幅阶跃，快速上涨，持续上涨一段时间内，通常几天后达到稳定浓度并保持，如图5所示。这种现象表明破损棒束入堆时间较长，棒束元件破损前气隙内133Xe浓度基本达到平衡，但是在没有扰动的稳态下出现破口，133Xe不会像2.3节中的那样在短时间内剧烈释放，而是快速持续释放到冷却剂中，通常几天后，冷却剂133Xe浓度达到稳定。达到稳定的条件为133Xe释放到冷却剂的速率等于总消失速率时。

图5 入堆时间较长的棒束在稳态下破损

4 通过换料趋势判断破损

4.1 换料卸出破损燃料棒束

CANDU6重水堆每个燃料通道中有12个燃料棒束，正常换料采用8棒束换料方式。

如果换料结束约1 h后，GFP系统在线监测到冷却剂133Xe等其他裂变产物的剧烈上涨，在几个小时后又恢复换料前的水平，如图6所示，换料机压差达到为10 Mpa的时间段表示在换料。这种趋势表明，本次换料过程中，破损燃料已经卸出堆芯。探头探测到的133Xe浓度上涨是局部高浓度，并非冷却剂中133Xe浓度的整体升高。133Xe的半衰期为5.3天，如果133Xe浓度整体升高，则不可能在短时间内恢复到换料前水平。

图6 换料卸出破损燃料棒束

4.2 破损燃料棒束移动位置但未卸出

如果换料结束约15 min后，133Xe浓度阶跃上涨，在几个小时内没有恢复的换料前的水平，而是维持在较高的水平，表明冷却剂中133Xe浓度整体升高了，如图7所示，换料机压差达到为10 MPa的时间段表示在换料。这种133Xe变化趋势表明换料通道内存在破损燃料棒束，破损燃料棒束在换料过程中移动了位置，但尚未卸出堆芯。如果出现这种趋势，可以对该通道再次进行换料，卸出通道中剩下的所有已辐照棒束。由于在第一次换料过程中受到剧烈扰动，破损燃料棒束中的133Xe已经短时间剧烈释放，第二次换料时监测不到133Xe浓度的变化。

图7 破损棒束移动位置但未被卸出

5 方法应用情况

2011年以来，使用本文方法查找出5个破损通道Q14、R11、H06、F15、Q10。另外，通过本文方法确定燃耗范围，结合DN系统缓发中子扫描的方法，还查找出P08和G20通道。破损棒束信息和冷却剂133Xe浓度变化趋势、破损原因见表1。

6 结论

根据秦山第三核电厂两台CANDU6重水堆十多年的运行经验，总结出了通过冷却剂133Xe浓度变化趋势定位破损燃料的方法，可以确定破损燃料所在冷却剂环路，推测破损棒束的大致入堆时间，结合换料过程中的133Xe趋势变化，可以确定换料通道内是否存在破损棒束以及破损棒束是否卸出堆芯。

表1 破损燃料信息