高燃耗M5锆合金燃料棒辐照后氧化膜厚度测量技术研究

2023-05-16 16:20刘歆粤钱进王鑫王星雨
科技资讯 2023年7期

刘歆粤 钱进 王鑫 王星雨

摘  要:燃料棒包殼管在堆内高温、高辐照环境中会发生氧化,在表面形成氧化膜。氧化膜会降低燃料组件的热交换能力,加快燃料棒腐蚀速度,使燃料性能恶化,是影响反应堆安全运行的重要因素。针对高燃耗M5锆合金燃料棒辐照后检验在国内罕见相关报道,所以开展国产商用压水堆燃料棒辐照性能研究,对改善和提高国产燃料元件的自主化水平具有重要意义。该文用涡流检测和金相检查两种方法对M5锆合金包壳的燃料棒进行了氧化膜厚度测量,并对测量结果进行比较,涡流检测方法结果准确。利用涡流的方法测量氧化膜能方便、准确地获取燃料棒全长范围的氧化膜厚度分布情况,该方法操作简单,测量效率高,为金相检查氧化膜的测量提供依据。适于燃料棒氧化膜轴向厚度分布的测量。

关键词:氧化膜测厚    涡流技术   金相分析   热室    辐照后检验    高燃耗

中图分类号:TL352;TL421.1              文献标识码: A

Research on  Measuring Technology of Oxide Film Thickness of the High Burn-up M5 Zirconium Alloy Fuel Rod after Irradiation

LIU Xinyue   QIAN Jin   WANG Xin   WANG Xingyu

(China Institute of Atomic Energy, Beijing, 102413 China)

Abstract: The fuel rod cladding tube will oxidize in the high-temperature and high-radiation environment in the reactor and form an oxide film on the surface. The oxide film will reduce the heat exchange capacity of the fuel assembly, accelerate the corrosion rate of fuel rods, and worsen the fuel performance, which  is an important factor affecting the safe operation of the reactor. In view of the rare reports of post-irradiation examination of the high burn-up M5 zirconium alloy fuel rod in China, the research on the irradiation performance of the domestic commercial pressurized water reactor fuel rod is carried out, which is of great significance to improve and enhance the autonomy level of domestic fuel elements. This paper uses the two methods of the eddy-current testing and the metallographic examination to measure the oxide film thickness of the M5 zirconium alloy fuel rod, compares the measurement results, and  the result of the eddy-current testing is accurate.  The eddy-current method is used to measure the oxide film, which can conveniently and accurately to obtain the thickness distribution of the oxide film in the full length range of the fuel rod.  This method is simple to operate and has high measurement efficiency, and provides a basis for the measurement of the oxide film in metallographic examination, which is suitable for measuring the axial thickness distribution of the oxide film of the  fuel rod.

Key Words: Oxide film thickness; Eddy-current technique; Metallographic analysis; Hot cell; Post-irradiation examination; High burn-up

目前我国在运的核电站中除秦山一期核电站之外,其余商用核电站尚无自主的燃料组件技术。其余燃料组件所用技术均转让自相关核反应堆技术出口国,可供国内核电站使用,但是无法出口。燃料棒包壳管在堆内高温、辐照环境中会发生氧化,在外表面形成氧化膜,增大包壳表面与冷却剂之间的热阻,降低燃料组件的热交换能力,加快燃料棒腐蚀速度,使反应堆存在潜在安全风险。因此无论从打破我国核燃料技术出口限制还是从提高燃料组件经济性、降低核电站运行风险的角度讲,都需要对燃料棒氧化膜进行科学研究[1-2]。这是由于燃料棒包壳管在堆内高温、辐照环境中会发生腐蚀,在其外表面形成氧化膜。由于氧化膜的存在包壳表面与冷却剂之间的热阻会增大,燃料组件的热交换能力会降低,是反应堆存在潜在的安全风险。

1   测量背景

针对高燃耗M5锆合金燃料棒辐照后检验在国内罕见相关报道,所以开展国产商用压水堆燃料棒辐照性能研究,对改善和提高国产燃料元件的自主化水平具有重要意义。该工作在中国原子能科学研究院CARR热室及303热室对一根国产高燃耗M5锆合金燃料棒进行辐照后检验。通过涡流检测[3]和金相检验两种方法分别测量高燃耗下M5燃料棒辐照后氧化膜厚度情况,并进行比较。包壳厚度0.57 mm,燃料棒外径Φ9.5 mm ,燃料棒总长为3 867.1 mm,燃耗参数见表1。

2 实验

2.1 氧化膜涡流测厚

涡流测厚技术[4-8]是利用涡流检测中的提离效应,当探头线圈距被测导体之间的距离发生变化时,探头线圈阻抗将发生变化,根据线圈信号的变化,测出氧化膜厚度,同时通过线圈沿轴向移动的距离确定氧化膜厚度分布情况。涡流检验的示意图如图1所示。

利用涡流探头的提离效应,可以方便快捷地获得导电的燃料棒包壳基体表面与涡流探头之间的非导电层(即氧化膜)的厚度。为提高涡流测厚的灵敏度和准确度,采用笔式涡流探头,频率选择1 MHz。较高的检测频率可以增大检测线圈在被测量覆盖层下面导电机体中所激励产生涡流的密度,进而增强涡流的提离效应,达到提高测量灵敏度和准确度的目的。在热室多功能台架上对燃料棒测量氧化膜厚度,取样间隔为1 mm。

检测前先采用厚度为5.7μm、11μm、22μm、34.5μm、47.2μm、73.2μm、97.5μm、123μm为标准,利用涡流仪对其相应幅值进行测量,获得幅值与膜厚之间的关系曲线[9-13]。再利用5.7μm、11μm、22μm、34.5μm、47.2μm、73.2μm、97.5μm、123μm膜對标准曲线进行验证。

为提高测量的精确度,对传统的测量方法进行了两方面的改进:第一,把涡流仪放在热室内,缩短涡流仪传输测量距离使信号传输更精确。第二,根据以往的经验标定所用的聚酯膜在挤压后容易产生变形,该次实验改为钢化膜,减少测量误差。

2.2  涡流测厚检测结果

在热室多功能台架上利用涡流仪所制作的标准曲线对燃料棒从距离底端38 mm,取样间隔为1 mm,进行45°、135°、225°、315°,4个方向对两根燃料棒分别进行氧化膜厚度测量,并根据测量结果绘制全尺寸氧化膜厚度曲线,如图2所示,通过外观检验可以看出此M5燃料棒外表面不平整,故涡流检测所测出的氧化膜厚度数值发散。

2.3氧化膜金相检测

虽然通过无损的涡流检测方法已经测得燃料棒轴向方向上表面氧化膜厚度的分布情况,但氧化膜的绝对厚度必须通过破坏性检查来确定。在金相显微镜上进行观察[14],通过分析得到包壳氧化膜平均厚度,对前期无损检查——涡流测厚实验数据得到的沿燃料棒轴向方向上氧化膜的变化趋势进行校准,便可以得到氧化膜的绝对厚度。

样品抛光后,未蚀刻直接观察样品包壳外表面的水侧腐蚀情况,并利用图像分析软件测量氧化膜厚度。测量方法为从每个样品圆周方向,每间隔45°选取一个视场,共8个视场,取所有视场氧化膜厚度的平均值作为该样品的氧化膜测量结果。

2.4金相观察检测结果

M5燃料棒金相检查样品及具体位置见图3和表2所示。燃料棒总长3867.1 mm,直径9.5 mm,从下端至上端,共计8个格架(位置标号:G1~G8),格架之间共计7个跨度段(位置标号:S1~S7)。

图4为M5燃料棒不同位置处金相检查的氧化膜局部形貌,其中:(a) S3位置;(b) S4位置;(c) S6位置以及(d) S7位置。从图4中可看出,M5包壳材料达54 441 Mwd/tU燃耗后氧化膜依旧致密完整,部分开裂可能由于制样过程中产生。对M5燃料棒氧化膜厚度测量结果见表3,氧化膜厚度测量周向8个位置,每个位置间隔45°。从表3中结果可知,从第一层格架开始氧化膜厚度逐渐增大,在第五层格架与第七层格架之间氧化膜厚度达到最大,其分布与涡流检测所得氧化膜厚度一致。

2.5  测量比较

对照金相检测的取样位置,取相同位置的涡流检测的数值进行比较,如表4所示,可以看出,通过涡流和金相两种方法分别测量在高燃耗下M5锆合金包壳材料的氧化膜厚度情况,两种测量的结果具有较高的拟合度,均在测量误差范围内(≤5μm)。

3   结语

该文用涡流检测和金相检查两种方法对M5锆合金包壳的燃料棒进行了氧化膜厚度测量,并对测量结果进行比较,涡流检测方法结果准确。利用涡流的方法测量氧化膜能方便、准确地获取燃料棒全长范围的氧化膜厚度分布情况,该方法操作简单,测量效率高,为金相检查氧化膜的测量提供依据,适于燃料棒氧化膜轴向厚度分布的测量。

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