輕水堆燃料組件製造

基本介紹

• 中文名：輕水堆燃料組件製造
• 外文名：fabrication of fuel assembly for light water reactor

按輕水堆燃料組件的設計要求進行組件的零部件加工，並將其組裝在一起成為一個完整的燃料元件集(組)合體的加工過程。

輕水冷卻動力堆有壓水堆和沸水堆兩種類型。它們的燃料組件雖然在結構、尺寸和材料上有差異，但其燃料都採用由細棒組成的棒束型結構，製造工藝也基本類同。沸水堆燃料組件含60~63根燃料棒(包殼管由Zr-2合金製造)，按8×8正方形排列。靠其中8根燃料棒與上下墊板(由不鏽鋼製造)螺紋連線，連同沿長度均勻分配的下層定位格架(由Inconel X製造)固定構成骨架，支撐整組燃料棒和保持棒間距。然後將其餘燃料棒插入定位格架。最後將燃料棒束裝入緊密配合的方形套筒(由Zr-4合金製造)組裝成燃料組件。反之，壓水堆燃料組件屬無套筒型，它由176~264根燃料棒(包殼管由Zr-4合金製造)按14×14、15×15或17×17正方形排列。在選定位置由控制棒導向管(由不鏽鋼製造)取代燃料棒，連同沿長度均勻分配的7~12層定位格架(由Inconel-718或Zr-4合金製造)一起與上下管座(由不鏽鋼製造)連線構成骨架。最後插入燃料棒組裝成燃料組件。現以壓水堆燃料組件為代表，陳述其製造工藝過程。近代壓水堆燃料組件的製造工藝一般分四步：①燃料棒製造；②定位格架製造；③上下管座加工；④組件組裝和檢查。

燃料棒製造

燃料棒由鋯合金包殼管、上下端塞、壓緊彈簧、隔熱片、低富集(3%~5%U)UO₂芯塊、支撐管等組成(見圖1)。燃料棒製造工藝主要包括燃料芯塊製備、包殼管準備和燃料棒裝配。

圖1 壓水堆燃料棒結構

燃料芯塊製備

對選定燃料棒，裝入UO₂-Gd₂O₃芯塊。其中Gd₂O₃是一種中子吸收體，在第一循環期間提供短期反應性控制。其製備工藝與UO₂的相同。

燃料棒裝配

一般採用芯塊填裝法，分成7道工序。

(1)下端塞焊接：設計長度(例如3.6m)的包殼管經清洗、烘乾，安下端塞，用氬弧焊進行下端塞的環縫焊接。

(2)裝管、上端塞焊接：將焊好下端塞的包殼管秤重，然後依次裝入支撐管、下隔熱片、UO₂芯塊、上隔熱片、壓緊彈簧，最後安上端塞並進行環縫焊接。焊完後對燃料棒秤重，推算棒中UO₂芯塊的質量。

(3)充氦、堵孔：為改善芯快與包殼管間的間隙導熱，為抵擋堆運行時冷卻劑的壓力(例如16MPa)，並推遲包殼與芯塊間的相互接觸，根據不同的設計要求，需在燃料棒內充入一定壓力的純氦，一般為2~3MPa。氦通過上端塞上的細孔充入，堵孔是在專用充氦壓力堵孔焊小室中進行。

(4)X射線探傷：用於檢查燃料棒環縫和上端塞頂部堵孔焊點的質量。每條環焊縫需轉三個角度透照三次。

(5)密封性檢查：焊好的燃料棒都用氦質譜儀檢漏，≤10Pa為合格，≥10Pa即算有漏隙，判不合格。

(6)豐度檢查：用富集度檢查儀逐根逐塊檢查棒中UO₂芯塊的富集度。

(7)外觀檢查：最後對燃料棒作尺寸、不直度、焊縫外形、表面劃傷及棒上標記的檢查。

定位格架製造

定位格架的功能是將燃料組件內的燃料棒固定在確定的位置上，在反應堆運行期間使棒間距保持不變。典型的壓水堆定位格架呈正方形蜂窩結構。它由兩組互相垂直的厚為0.32mm的條帶組成。每組條帶數目相同，相互平行，呈等距離排列。兩組條帶通過其上一組窄槽(圖2中數字44所示)而相互裝配、嚙合、鎖緊在一起，形成14×14、15×15或17×17個方形孔，用以容納並固定燃料棒。位於四周厚約0.4mm的框板容納並固定了條帶的端部。在格架的方孔中，為燃料棒提供了6個接觸點，其中兩個彈性點，4個剛性點。彈性點系由條帶上衝出的三彎彈簧構成(圖2中數字52所示)，剛性點系由條帶衝出的梯形突起形成(圖2中66所示)。為提高燃料組件的發熱率，大部分格架上方提供了具有一定數量、形狀、尺寸及不同布置的交混翼。理想的交混結構可提高臨界熱流密度10%~20%。在格架框板上下方設有一定數量的導向翼，在裝卸燃料組件時起導向作用。

圖2 壓水堆定位格架

條帶和框板由因科鎳718合金製造。經衝壓、清洗、鍍鎳後在專用胎具上進行組裝，然後在條帶交接處和框板搭接處塗上BNi-5或BNi-7牌號的釺焊料，裝進真空鉬片爐進行釺焊，出爐後經打磨而為成品。成品格架需經①柵元尺寸檢查及調整；②交混翼彎角度的檢查；③交混翼的方向和角度的檢查和校正；④隨爐釺焊拉力試樣的強度測定；⑤目視複查。

近代壓水堆的定位格架多用鎳基合金製成。也有採用鋯合金格架的，其特點是熱中子吸收截面小。介於前兩者之間的還有雙金屬格架，其中條帶和框板是鋯合金，夾持彈簧仍用鎳基合金製作。

上下管座加工

上下管座分別是燃料組件骨架的頂部構件和底部構件，也分別是燃料組件上下部的定位構件。依靠其上的定位機構使燃料組件在堆芯內保持準確位置，並防止燃料組件在水力衝擊下發生搖晃或竄動。上下管座的格板上開有一系列的流水孔和導向管孔，因此通過對格板流水孔總面積和孔徑大小的選擇可以調整流過燃料組件的冷卻劑流量大小。

組件的上下管座一般採用不鏽鋼板焊接結構。上管座的毛坯由上下兩塊蓋板、四塊圍板焊接而成(見圖3)。用半自動氬弧焊機將四塊圍板焊成框架，並於框架兩端焊上蓋板，然後用立銑將上蓋板中間挖空，下蓋板加工成為組件的上格板。下管座較簡單，只在一塊板(組件下格板)上用手工氬弧焊焊上四個支腳即為坯料，經精加工出定位銷孔和流水孔而為成品。加工好的上下管座都要進行噴砂處理。

圖3 燃料組件的上管座

組件的組裝和檢查

分成三個工序：①骨架組裝；②燃料棒組裝；③組件的檢查。

骨架組裝 壓水堆燃料組件的骨架是以一組控制棒導向管為支架，中間連線7~12層定位格架，兩端分別連線燃料組件的上下管座而構成。骨架組裝分三步進行。①控制棒導向管與定位格架的連線：有4種不同方式。不鏽鋼導向管與鎳基合金定位格架可用點焊連線。鋯合金導向管與鎳基合金定位格架的連線可採用脹管或定位套管聯接。中子注量率測量管與定位套管的連線是依靠套在中子注量率測量管外的專用套管將定位格架固定在確定的位置上，套管的外徑壓住定位格架的條帶，套管的長度恰好為相鄰兩層格架的間距(見圖4)，組裝時每加一層格架，中間放一段定位套管，直至格架全部裝完為止，格架上下即定位。套管和中子注量率測量管 或格架不需要進行焊接或脹接，由於其他導向管插入格架柵元中，格架在組件中也不會產生移動，這種連線形式比較簡單。②控制棒導向管與上管座的連線：有三種方式。不鏽鋼導向管與不鏽鋼上格板可直接用氬弧焊連線。鋯合金導向管則用過渡套管脹管連線結構或用螺紋連線結構。在鋯合金導向管與上格板連線處，設計一段鋯合金補強套管，套管套在鋯合金導向管外，下段通過點焊與鋯合金導向管連線，上段插入上格板內，為防止套管轉動，插入段的外形設計成方形，內為圓形並帶螺紋，插入深度約為上格板的一半，在上格板的上面裝有不鏽鋼螺栓，通過它與鋯合金套管的內螺紋擰緊，將鋯合金導向管固定在上管座的上格板上，這種連線結構便於燃料組件的裝拆(見圖5)。③控制棒導向管與下管座的連線：有三種形式。不鏽鋼導向管與下格板(下管座)可用螺栓直接連線。對鋯合金導向管，可選用過渡套管加螺栓的連線結構。可拆螺帽連線結構適用於需要局部更換燃料棒的地方。

圖4 格架定位套管與中子注量率測量管連線

圖5 導向管與上格板的螺紋連線

燃料棒組裝 一般採用拉棒方式組裝燃料棒，棒表面不塗膜，劃傷深度小於10μm，一根棒的拉力為500N。用裝棒機每次可拉棒十多根。

組件的檢查 利用綜合組件檢查儀進行檢查，檢查項目有：①每個格架的外形尺寸；②利用雷射檢查組件的每兩個格架之間的棒間距；③長度；④彎曲度；⑤垂直度。

對組件綜合檢查後還要作下述的清洗和檢查：①用加普通洗滌劑的水洗；②熱水洗；③熱空氣乾燥；④超聲法清洗下管座；⑤目視檢查；⑥控制組件插入導向管檢查。最後利用吊車上的電子秤稱重後入庫。