燃料包殼破損事故

輕水堆燃料元件包殼是反應堆內放射性物質的第一道屏障,一旦包殼破裂,燃料元件的放射性裂變產物就會釋放到一迴路的冷卻劑中。一迴路冷卻劑的微泄漏,放射性裂變產物也會進一步釋放到環境中;在停堆換料及破損元件貯水池存放時,某些放射性裂變產物也要釋放於環境之中,給公眾健康造成不良影響,所以,元件破損也關係到公眾安全問題。核電站運行規程中有明確規定,一旦一迴路冷卻劑的當量碘的放射性劑量超過一定限值後,機組必須停止負荷追隨運行,再超過更高的限值後,反應堆必須在規定時間內停堆。

基本介紹

• 中文名：燃料包殼破損事故
• 外文名：Failedfuel rod cladding

事故原因

在瞬時功率劇增和冷卻劑喪失條件下，可能釀成燃料熔化、包殼破損等嚴重事故。下面是引起輕水堆燃料一次破損的主要原因和機理。

(1)製造缺陷 指燃料棒端塞缺陷、焊縫缺陷和包殼缺陷引起的燃料棒破損。

(2)一次氫化 其機理是燃料棒記憶體在過量的水份或殘留有機物,即有足夠的當量氫含量,被包殼內表面氧化膜脫落的地方局部吸氫,產生所謂的“太陽狀”破損。

(3)PCI 芯塊—包殼相互作用(PCI)引起輕水堆燃料破損是機械和化學聯合作用的結果。PCI的程度取決於功率劇增前在低功率下所累積的燃耗、劇增時的最大棒功率、功率增量、平均劇增速率和在高功率下停留的時間。當這五個運行參數同時處在臨界範圍內時燃料棒才會產生破損。其中壓水堆燃料棒由PCI引起的破損非常稀少。

(4)腐蝕輕水堆燃料棒鋯合金包殼水側腐蝕，是歷來倍受關注的問題。並明確規定設計壽期末，包殼均勻腐蝕深度應小於包殼壁厚的10%。

(5)包殼坍塌 70年代初,由於燃料芯塊輻照密實化,在燃料芯塊堆積高度形成軸向間隙,致使許多壓水堆燃料棒包殼坍塌。這種情況通過使用合適密度(一般是95%TD)和穩定的燃料芯塊以及提高燃料棒預充氦的壓力等己完全消除。

(6)格架—燃料棒磨蝕 壓水堆燃料棒破損的原因之一。主要原因是定位格架設計或製造不當,致使對燃料棒的夾持力不足,從而在冷卻劑流量,尤其是燃料棒在橫向流作用下產生流致振動而被磨蝕破損。通過設計改進,這種機理引起的燃料棒破損有所降低。

(7)異物磨蝕 所有動力堆燃料破損的主要原因。原因是冷卻劑迴路中的異物隨冷卻劑循環進入燃料組件,被定位格架捕捉,在流致振動條件下,逐漸地磨穿包殼。防止異物磨蝕引起輕水堆燃料棒破損的措施是清除遺留在冷卻劑中的異物,而運行中產生的異物,則依靠防異物磨蝕破損的對策來解決,如使用帶過濾異物功能的下管座設計、緊靠下管座加保護性格架、燃料棒包殼下端預生保護性耐磨氧化膜等,這些措施均能產生很好的效果。

(8)圍板射流 曾是引起許多壓水堆燃料棒破損的原因之一。即環繞堆芯的圍板連線不合理,致使產生噴射流引起鄰近燃料棒振動磨蝕破損。採用降低圍板兩側壓差的新設計,基本上消除了圍板射流引起的燃料棒破損。

(9)燃料棒彎曲 儘管歷史上未見到因彎曲而引起燃料棒包殼破損,但是彎曲會使燃料組件中的燃料棒與燃料棒之間間距減小,從而使臨界熱流密度(DNBR)裕量降低。

上述破損原因綜合列於下表

表1. 燃料元件破損的基本原因以及可能導致釋放的破損分類

項目	基本原因
	燃料		核電站
	設計	製造	設計	運行	維護
破損後有放射性產物的釋放
異物對包殼的磨蝕			●	●	●
格架對包殼的磨蝕		●	●
芯塊包殼相互作用	●			●	●
包殼的腐蝕		●	●	●
包殼端蓋焊接受腐		●
端塞泄漏		●
包殼的氫脆		●
可能導致放射性產物的釋放
燃料棒的振動	●		●	●
格架損壞	●			●
包殼坍塌		●
不可能導致放射性產物的釋放
螺釘和螺栓損壞	●	●
夾緊螺釘損壞	●	●
導向管磨損			●
鋯合金輻照生長的限制	●	●

國內外監測手段

在運行期間可以通過總γ探測系統、緩發中子探測系統、裂變氣體和冷卻劑的放射化學分析來監督燃料包殼是否破損和破損程度，具體採用哪種系統因電廠而異。

(1)法國

法國建立了FPMS(Fission Product Monitoring System)系統。發展了以一次水放射性測量為基礎的燃料元件破損特徵診斷方法。為了提高有效性,採用了一次水Y譜測量裝置,獲取穩態和瞬態工況下裂變產物活度的綜合性數據。

(2)日本

1986年到1992年間,日本從美國引進了主迴路裂變產物活度線上監測裝置(FPMS)，並陸續在一些商用反應堆上安裝了7套,利用該裝置和破損分析程式,可監測到燃料棒破損根數及破口大小,為保障反應堆安全運行、減少不必要的停堆次數(壓水堆上允許一定量的元件破損根數而不必停堆)、提高經濟效益提供了重要手段。

(3)加拿大

加拿大AECL(原子能有限公司)與ORTEC(AMETEK公司的一個分部)合作,根據CANDU堆的特點,開發了燃料元件破損探測系統定型產品,為CANDU核電站安全、高效運行作出了一定貢獻。

(4)俄羅斯

俄羅斯也發展了基於裂變產物活度的線上Y譜測量的燃料元件專家系統,並在1990年以後在VVER堆上投入使用。

(5)中國

我們在上世紀90年代初,已經注意到國際上燃料元件破損探測問題的研究工作,並不斷跟蹤國際上的發展情況。上世紀90年代中期以來,我們通過國外專家引進和派出訪問學者的方式,加強了在該領域的學術交流。1994年我們通過工AEA邀請波蘭專家SZUDA先生來華進行學術交流,19%年邀請法國專家講學,1997年派出專業人員赴法進修。通過這些學術交流,基本了解了國外研究現狀。