压水堆燃料组件制造监督管理

0引言
燃料组件是压水堆核电站核裂变反应的主要原料，在核裂变产生巨大能量的同时，多种放射性物质也相应产生。

燃料组件包壳完整时，这些放射性物质被阻挡在燃料包壳内。

但一旦燃料包壳破损，部分放射性物质将泄漏到反应堆冷却剂中，一是造成冷却剂剂量上升，造成核岛部分设备污染，给反应堆内部系统设备检修带来困难；二是存在冷却剂中的放射性进入人居环境的风险。

在燃料组件包壳破损统计中发现燃料组件制造缺陷是燃料组件堆内运行破损原因之一，约占燃料组件总破损率的5%-6%。

为减少采购的燃料组件堆内运行破损机率，该文从压水堆核电站燃料组件结构入手，对燃料组件制造过程、监造要点进行分析，概括了燃料组件制造过程中可能造成燃料包壳破损的主要原因，找出了燃料组件的制造质量缺陷，及时修复、更换具有质量缺陷的燃料组件，有效地降低了燃料组件堆内运行破损的机率。

1燃料组件破损原因分析
燃料破损原因和机理是多方面的，且很复杂，早在70年代，包壳一次氢化破坏和燃料密实是两个最普遍的破损原因，被称为两种“流行病”。

一次氢化破坏是由于芯块吸水量较多，在运行时变为蒸汽，与锆合金包壳内表面发生化学反应，包壳局部大量吸氢，氢化物向外扩展，最后贯穿包壳管壁而形成破口。

不久，通过提高芯块密度、芯块干燥、控制燃料棒内含氢量等措施有效地防止了一次氢化破坏；初始密度较低的UO 2芯块在运行初期发生密实化效应，体积减小，形成轴向间隙，而且燃料棒预充氦气压力低，这样，包壳在冷却剂外压下向里蠕变，最后在芯块间隙段变成扁平。

防止措施是提高芯块密度和预充氦气压力。

近几年来，外来异物磨蚀、格架磨蚀和制造缺陷是主要破损原因，详见表1。

进入一回路中的金属丝或锆丝等卡在燃料组件上，在水流冲击下与包壳发生振动磨蚀，严重时包壳被磨穿，往往产生大破口，不但使裂变气体大量释放，而且燃料碎屑也会逸出，危害相当大，这是数量大而又普遍发生的一种破坏，在美国，2000年占全部破损组件的50%以上；在法国，在AFA 组件泄漏棒中高达71%。

在大亚湾核电厂，8组燃料组件发生泄漏原因很可能属于这种异物磨蚀破坏。

在这些格架振动磨蚀破损的燃料组件中，发现约有1/5是由于燃料组件中的锆屑或锆屑积瘤磨蚀燃料棒造成的。

通过组件设计改进（增加防止异物进入的滤网等）大大减少了这种破损，但未杜绝。

制造缺陷是燃料组件破损的又一原因，表1可以看出，燃料组件制造缺陷引起的破损约占整个燃料组件破损的5%-6%。

曾在1994年底，法国一个堆的燃料因制造过程中UO 2芯块上溅上甲醇（甲醇属碳氢化合物，高温辐照下有水生成），造成10根棒泄漏，被迫非计划停堆换料。

从上述锆丝磨蚀燃料组件造成燃料组件破损和制造缺陷引起的燃料组件破破率来看。

采购时严格控制燃料组件制造质量，加强燃料组件制造监督势在必行。

2燃料组件制造监督2.1燃料组件结构目前，国内压水堆核电站多数采用AFA-3G 型燃料组
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—作者简介:韩超（1987-），男，山东聊城人，本科，工程师，研究方向
为核燃料管理。

压水堆燃料组件制造监督管理
Supervision and Management of Pressurized Water Reactor Fuel Assembly Manufacturing
韩超HAN Chao ;吕岩松LV Yan-song ;刘原君LIU Yuan-jun
（国核示范电站有限责任公司，威海264300）
（National Nuclear Demonstration Power Station Co.，Ltd.，Weihai 264300，China ）
摘要:制造缺陷是燃料组件在堆内运行破损原因之一。

在核电站运行过程中，燃料组件制造缺陷破损约占堆内运行总组件破损的5%-6%。

为了减少燃料组件制造原因在堆内运行时引起的破损，从燃料组件结构、制造过程分析，提出了燃料采购过程中加强燃料组件监造控制及监督力度。

通过加强对燃料组件制造过程的监造监督，及时发现、修复或更换具有质量缺陷的燃料组件，最大限度地减少了制造缺陷的燃料组件入堆造成燃料组件堆内运行破损的风险，有效地避免造成更大安全隐患和经济损失。

Abstract:Manufacturing defects are one of the causes of fuel assembly damage during operation inside the reactor.During the
operation of nuclear power plants,fuel assembly manufacturing defects and damages account for approximately 5%-6%of the total component damage in the reactor.In order to reduce the damage caused by fuel assembly manufacturing during operation in the reactor,it is proposed to strengthen the supervision and control of fuel assembly manufacturing during the fuel procurement process,based on the analysis of fuel assembly structure and manufacturing process.By strengthening the supervision of the fuel assembly manufacturing process,timely detection,repair,or replacement of fuel assemblies with quality defects,the risk of fuel assembly damage caused by manufacturing defects entering the reactor is minimized to the greatest extent possible,effectively avoiding greater safety hazards and economic losses.
关键词:燃料组件；核电站；破损；监督
Key words:fuel components ；nuclear power plants ；damage ；supervise 中图分类号:TL352.2
文献标识码:A
文章编号:1006-4311（2023）36-036-03
doi:10.3969/j.issn.1006-4311.2023.36.012
Value Engineering
件，每个燃料组件含有289个棒位，呈17×17正方形栅格栅元排列。

其中264个栅元为燃料棒，24个栅元为导向管，为燃料组件的格架提供支承，1个中心栅元为仪表管。

仪表管位于燃料组件的中心位置，为堆内中子通量探测器和堆芯出口热电偶提供插入通道。

AFA-3G燃料组件包含上管座、下管座及11层格架，11层格架分别为1层上端部格架、1层下端部格架、6层中间格架和3层中间流量搅混格架。

燃料组件的结构设计能够完全容纳燃料棒，确保整个寿期内燃料棒两端与上、下管座间留有足够间隙。

大亚湾压水堆核电厂，堆芯装有157组结构上完全相同的17×17的AFA3G型燃料组件，位于堆芯上、下板和围板所围成的空间内。

初始堆芯为三区布置，富集度3.10%的52组燃料组件装在堆芯外围，称为3区（外区）；富集度1.80%的53组和富集度2.40%的52组燃料组件按棋盘式交替装在内区，称为1区（内区）和2区（中区）。

采用年换料制，每年更换52组燃料组件。

换料用的新燃料组件富集度为3.20%装在外区，其余的燃料组件依次按棋盘式重新布置，使堆芯功率分布尽可能均匀。

燃料组件由燃料棒和燃料组件骨架组成，而燃料组件骨架由上、下管座、定位格架、导向管和仪表管组成。

2.2燃料组件制造流程
燃料组件制造从六氟化铀氟化开始，经由二氧化铀粉末、二氧化铀芯块，最终与燃料包壳、零部件等组装成燃料组件。

在燃料组件制种过程中，影响燃料组件质量的因素很多，如二氧化铀芯块制备、燃料棒焊接、骨架焊接、燃料棒拉棒、组件组装、组件清洗等这些任何一个环节微小操作失误或操作不当均能引起质量波动。

2.3燃料组件制造监督
国外运行经验表明，燃料制造缺陷至今仍是燃料破损的主要原因之一，继续改进制造工艺并加强监造是实现燃料组件“零缺陷计划”的主要措施。

因此各核电企业都是将核燃料监造作为确保核电安全运行的重要工作来做的。

核燃料监造跟其他行业的监造工作是有很大区别的，核燃料监造要达到实时在线式的全过程全覆盖的目标。

实时在线是指履行监造职责的人员直接在核燃料制造现场并能在第一时间完成相关监造业务，能实时掌握生产工艺运行情况及生产进度；全过程全覆盖是指监造工作要覆盖到从原材料采购入厂到最终产品出厂验收的整个生产过程。

在燃料组件制造期间，虽然国内各核电站业主单位派遣了一部分人员对本单位的燃料组件制造过程进行了监督，并且按要求设置了R点、W点、H点。

但由于监造差异及人员水平各异，所以监造的最终效果也不一样，有的根本起不到监督作用。

在燃料组件制造过程中，为了加强燃料组件制造监督管理，进一步减少燃料组件由制造原因引起的破损机率，各核电站业主纷纷对燃料组件监造人员进行了业务培训，同时加强了对燃料组件制造服务监督，设置了燃料制造厂自行监督、设计后援独立监督、核电业主独立监督的三重监督体系，燃料组件的制造服务监督是从原材料采购开始到燃料组件制造完工的全过程。

在文件审查方面，对供应商订单（分包合同）、质量计划、不符合项报告、现场制造文件以及完工报告严格按设备规格书及采购要求进行审查，一人审查，另一人复查，确保文件符合规范要求。

涉及原材料采购、零部件制造以及最终产品制造完成的整个过程，通过审查这些文件的可追溯性、符合性、准确性等信息，确认这些产品的生产过程质量可控，从而减少产品缺陷的产生。

在产品见证方面，对其全部或者部分抽检指标的符合性检查，从而确定其质量是否可以接受。

燃料组件制造的见证包括工艺/产品合格性鉴定见证和产品见证，其中产品见证又包括：UO2芯块，上管座部件，下管座部件，格架，燃料棒、骨架、燃料组件等的见证。

对于重要工序要设置停工待检点，监造人员要实施100%见证确认，否则该产品不得进入下一道工序。

交付验收：由于燃料组件的重要性，交货后的燃料组件直接进入乏燃料水池内，难以验证其质量特性以及设计、制造或试验过程复杂，因此采用了交付验收的方法。

交
表1压水堆燃料组件破损原因
破损原因
年份/Y
20022003200420052006200720082009
异物碎片格架振动磨蚀
一次氢化沉积/腐蚀其它制造原因其它水力原因检查/未知原因未作检查
总计48
15
1
2
36
102
11
9
2
13
22
57
8
21
4
1
1
17
52
12
33
4
32
26
107
15
31
2
61
15
124
5
11
1
1
15
3
36
9
17
1
7
10
8
52
1
18
4
4
2
27
付验收需要对燃料组件的总体情况按照合同和相关技术
条件的要求进行全面的检查，这些检查包括交付前组件完好性、性能检测、密封性试验、设备标识、包装情况、完工文件情况等，避免把质量缺陷带到核电站反应堆内。

如图1所示。

除此之外，电站业主的监造人员经常对制造现场的设备有效期、操作规范性、设备缺陷性等进行检查，发现问题及时制止，有效地减少了缺陷组件的产生。

通过上述措施，发现了一系列质量缺陷问题，减少了缺陷组件入堆造成组件破损风险。

检查出的质量缺陷举例见图2。

通过加强一系列的燃料组件制造监督措施，燃料组件由于制造缺陷原因破损的组件由原来的5%-6%减少到了约2%-3%。

3结论
①燃料组件制造缺陷是造成燃料组件堆内运行破损原因之一，结果表明燃料组件制造原因引起的燃料组件破损占总组件破损的5%-6%。

②采用燃料制造厂自行监督、设计后援独立监督、核电业主独立监督的三重监督体系，并通过加强燃料组件制造监督能有效地提高了燃料组件产品质量，减少了燃料组件在堆内运行破损机率。

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图2燃料组件缺陷图
（c ）燃料棒划
伤
（a ）导向翼变
形（b ）搅混翼变形图1燃料组件制造流程图
制造工艺控制试样制备
试样
理化所或车间检验
检验报告单
管座部件，格架，芯块，燃料棒，骨架，组件等
设计后援确认单
URC
审查单
格架，粉末，芯块，燃料棒，骨架、组件等
质检科审核
放行单
监督单
监督
质量文件
车间检验
成品零部件。