核电厂燃料包壳破损原因分析及改进建议

骆光富 1 杨媛媛 2

1. 国核示范电站有限责任公司 山东威海 264300 2. 山东省核学会 山东威海 264300

摘要：核电厂利用核燃料的核裂变释放能量，从而带动汽轮发电机组发电，是核电厂能量的主要来源，也是核电厂放射性的主要来源。当前国内外核电厂都已经发生了多起燃料破损问题，若控制不当，可能导致放射性外泄，对工作人员和公众带来辐照风险，本文就燃料破损影响、原因进行分析并提出燃料防护的改进建议。

关键字：核电厂 三道屏障 燃料包壳 包壳破损 放射性

1. 背景

国内核电厂从1990年投运至今，绝大多数的核电厂都出现过燃料破损情况，而国外的核电大国——美国，运行机组在2017年到2019年中，所有核电站都出现了燃料组件失效，可以看出，随着核电厂寿期的延伸，燃料包壳破损演变为必然事件，对工作人员的正常工作，特别是例行的大修，带来了较大的照射风险。

2. 燃料包壳的作用

由于核安全的重要性，根据纵深防御的设计原则，核电厂在放射性产物与人所处的环境之间，设置了多道屏障，力求最大限度地包容放射性物质，尽可能减少放射性物质向周围环境的释放。屏障的数量和性能取决于风险的大小，当反应堆运行时，有以下三道屏障：燃料元件包壳；一回路压力边界；安全壳。

如图1所示，在核电站的设计与运行过程中，应最大限度地保障这三道屏障的完整性，但绝对的密封是不可能的。

图 1 核电厂三道屏障示意图

燃料包壳是反应堆放射性物质的第一道屏障，它将裂变反应产生的放射性物质包容在燃料棒中，防止裂变产物释放到一回路导致放射性水平升高。

百万千瓦级大型压水堆堆芯有超过40000根燃料元件，这些燃料元件的包壳就构成了核电站的第一道屏障，裂变产物有固态的、也有气态的，它们中的绝大部分都被容纳在二氧化铀燃料芯块内，只有气态的裂变产物能部分地扩散出芯块，进入芯块和包壳之间的间隙内。燃料元件包壳的工作条件是相当苛刻的，它既要受到强烈中子辐照、高温高速冷却剂的腐蚀、侵蚀，又要受到热的、机械的应力作用。

第一道屏障的可能缺陷就是包壳的破损。包壳一旦破损，裂变产物就将穿过包壳进入一回路冷却剂中，存在潜在的放射性外泄风险。在核电站运行技术规范中，为了监督三道屏障的完整性，定义了一些参数限制值，同时也规定了当这些参数达到或超过限制值时应采取的措施。正常运行时，通过监视一回路冷却剂的放射性活度来监视第一道屏障的完整性，并对机组的运行方式进行适当调整，相关的限值见表1和表2。

表 1燃料包壳破损判据

表 2运行区限值

3. 分区	I131eq	Σgas	备注
   运行一区限值	<4400	<370000	超过此限值，机组停止负荷跟踪，加强监督、检查碘峰值
   运行二区限值	<18500	<1480000	超过此限值，机组在 48 小时内向 NS/SG 模式后撤

   燃料破损的影响

当燃料包壳完整时，一回路放射性水平将处于较低水平，在反应堆瞬态时不会出现一回路放射性核素峰值；当燃料包壳发生破损时，包壳内的放射性物质会释放到一回路冷却剂中，使一回路放射性水平异常上升，且在机组进行瞬态期间，会出现不同程度的放射性核素峰值。

包壳存在破损时，在机组升降负荷期间可能使一回路水侵入包壳，浸入的水被高温芯块分解为氢气、氧气，氧气快速氧化包壳内表面，氢气逐步向上扩散。当包壳内氧分压不断消耗，氢分压不断增加，最终导致燃料棒局部变为富氢气氛围时，氢开始侵蚀该处包壳内壁，并与 Zr 合金结合析出氢化锆，同时氢向低温方向扩散，继而包壳内壁出现裂纹，并向外扩展，最终导致严重的贯穿式的二次氢化降级破损。

当大修进行到降温降压阶段，随着外部的压力、温度降低，由于压力平衡，气体开始膨胀，气态放射性逐步释放到一回路中。

最后，当一回路打开暴露在空气中时，一回路冷却剂中残留的放射性同位素会释放到环境中；同时，一回路排水后的部分残留液体中可能还有放射性同位素残留。这些因素都会对现场工作人员及环境排放造成一定影响。

总之，由于燃料组件出现破损，影响机组运行的灵活性，导致一回路放射性水平较高，影响机组燃料可靠性指标（FRI）达到 WANO 先进值水平。燃料破损后堆芯被沾污，导致后续循环一回路放射性水平偏高，并通过疏水、排气等途径导致放射性的转移和扩散，对现场工作人员造成辐照伤害。

4. 燃料损坏的原因

1. 设计缺陷

统计资料表明，经过精心设计和精心选择材料及加工工艺，正常运行时，包壳的破损率低于0.06%。因此对于拥有超过40000根燃料棒的百万千瓦级核电厂，预期破损24根，因此破损事件大概率会发生，因此设计缺陷是燃料包壳破损的一个原因。

2. 制造缺陷

制造过程的工艺波动导致某些参数不符合技术条件的要求；制造过程中的偶然缺陷；人因导致的问题等，导致燃料包壳带病出厂，在燃料的运行过程中出现破损。

3. 流致震动磨损

由于一回路冷却剂的高速循环流动，对燃料包壳的持续冲刷，导致燃料包壳破损，因此包壳的工作环境是导致其破损的一个原因。

4. 疲劳破损

随着升降功率等堆芯运行状态变化，都会导致包壳的温度变化，导致应力变化，长期的运行，导致设备的疲劳破裂，这是导致燃料包壳破损的另一个原因。

5. PCI（芯块与包壳相互作用）

芯块与包壳相互接触，可能导致燃料包壳破损。运行技术规范中对机组升功率速率有明确的规定，以保证燃料组件升功率期间不会发生PCI效应。PCI导致燃料组件破损一般发生在高燃耗组件。

6. 腐蚀/结垢

由于一回路水化学控制异常，使得燃料包壳表面腐蚀或者结垢，由于传热效率降低，局部温度上升将可能进一步导致局部腐蚀穿孔，因此是导致燃料包壳破损的另一个原因，腐蚀/结垢导致的燃料组件破损常见于高燃耗组件。

7. 碎片冲击

通过对美国运行机组燃料棒包壳破损事件进行分析发现，2017年到2018年所有卸载燃料组件失效的原因均为碎片导致燃料棒包壳破损，可见异物控制不到位是导致燃料包壳破损的重要原因。

5. 改善建议

通过优化选材、改进工艺、提升人员技能、优化机组运行方式，前6项原因都得到了较好的解决，但是碎片已成为并将长期处于导致燃料破损的唯一的关键性原因。因此需要针对以上7个原因采取有针对性的措施，特别是防止碎片进入堆芯采取有效措施。

1. 提升对燃料完整性的重视程度

• 发布燃料完整性管理办法，促进各专业共同承担防异物职责，参与防异物监督管理；

• 建立燃料组件的质量报告，确保制造过程全程可追溯，保证燃料组件的制造质量；

• 监视一回路放化数据，确保机组运行在放化规范要求内；

• 优化大修一回路防异物控制方案，强化防异物控制；

• 制定燃料破损情况下的辐射防护控制预案，便于进行及时的、恰当的干预；

• 制定破损组件修复预案，确保修复过程风险可控；

• 落实文件中预防和清理可能影响燃料可靠性的碎片的防护措施。

2. 加强人员培训

• 推行燃料完整性的持续学习，确保员工广泛理解相关的卓越标准；

• 强调防异物这一挑战的跨部门属性和必要的培训，并确保所有政策、规程都是最新版，且已被理解并完成培训。

3. 倡导员工成为保护燃料完整性的最后一道屏障

• 创造一个鼓励所有工作人员参与并主动承担的环境，确保所有工作人员了解燃料破损的原因和后果，并在实际工作过程中主动发现和解决可能影响燃料完整性的问题；

• 鼓励管理人员通过监控以确保维护、运营、工程和技术人员主动并共同确定、评估和消除影响燃料完整性的碎片，并通过风险预警的方式来识别、纠正或减轻最可能的异物来源，并找出组织上和程序中导致失效的因素。

参考文献：【1】IER L2-19-6：防止碎片引起的燃料破损