别业旺，张东辉，陈晓亮，范振东，杨 勇

（1.中国原子能科学研究院，北京102413；2.环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）

反应堆燃料破损是指燃料棒包壳破损，以致不能完整地包容燃料。燃料破损后，燃料及裂变碎片可以从破口进入冷却剂，使燃料棒包壳丧失安全屏障的作用。反应堆安全运行和操作规程［1］要求，必须及时探测到破损信号，并确定出现破损的组件位置，以便进一步处理。堆芯任何位置的组件都有可能出现破损，而燃料破损是多种机理共同作用的结果［2］，具有复杂性、偶然性的特点，无法事先预测破损发生的位置。燃料破损定位的研究，主要集中于破损发生后的搜索和检测。

辐照考验和堆内运行经验表明［3］，在大型商用堆中，从多达数百盒组件中找出发生破损的一盒或几盒组件，是一个非常困难和费时的过程。与水堆相比，钠冷快堆的燃料破损定位更加复杂。主要在于两个方面：一方面钠冷快堆燃料中235U富集度更高，中子通量密度更高，燃耗更深，温度更高，堆芯燃料组件破损情况更加复杂，另一方面，冷却剂钠的化学活性高，以及活化产物24Na的放射性活度大，给定位操作增加了困难。在钠冷快堆中如何高效准确地定位破损燃料，是一项非常有挑战性的技术难题［4］。

从1963年EBR－2首次临界至今，从事快堆研究的国家都对燃料破损定位方法进行了深入而持久的探索。借鉴水堆相对成熟的经验，通过堆上运行的严苛考验，并融合交叉学科领域中的新技术，形成了六种用于钠冷快堆的燃料破损定位方法。

（1）多道阀法。

（2）啜吸法。

（3）标记气体法。

（4）年龄法。

（5）中子通量斜变法。

（6）缓发中子三角法。

本文系统地调研国内外在这一领域的研究进展情况，分别介绍以上六种定位方法，综合考虑各个方法的优缺点和存在的问题，提出了我国在钠冷快堆中发展燃料破损定位技术的建议。

1 燃料破损定位的方法

1.1 多道阀法

燃料破损定位最理想和最直接的方法是为每一盒组件设置一根取样管线，分别对每根管线的取样连续监测，根据管线中取样流出现的破损信号，确定破损组件位置。但是由于客观原因（主要在于成本巨大和堆芯上方空间有限），这种方法不可能直接应用于工程上，借用这一思想，发展出了多道阀破损定位方法。该方法的核心在于：设置少数取样管，一端与堆芯燃料组件出口的钠流接触（取样管的功能类似于“探针”），另一端连接多道阀门装置，由与阀门连接的提升泵抽取组件出口的钠流送至探测器。通过转动阀门位置和切换阀门通道，可实现全堆芯扫描取样。

图1为多道阀定位系统的示意图，基本流程是：在驱动杆的带动下，多道阀门转到指定的位置，按照设定好的编码规则转动下端取样管的位置，使其对准待测燃料组件或组件簇上部的钠流出口，并同时切换阀门通道，将取样流用电磁泵送入后端的中子探测器，探测样品中的缓发中子，从而判断所测组件或组件簇中是否含有失效元件。

法国对多道阀定位技术［5］研究投入了非常多的资源，并且在狂想曲堆（Rapsodie），凤凰堆（Phenix），超凤凰堆（SPX），均设置了多道阀破损定位系统。SPX的破损定位系统中共设置了8个取样阀单元。这8套取样阀单元分别负责一定的堆芯区域，按照预先设定的阀门开关顺序抽取组件出口的钠流，再通过潜式电磁泵将钠样品送入缓发中子探测器，通过比较缓发中子信号来确定破损燃料的位置。

在Phenix堆中，除了探测钠样品中缓发中子，还嵌装了一套气体定位设备。如图2所示，多道阀对堆芯燃料组件出口的钠取样，并通过电磁泵将钠送入DND的钠容器中，3He计数管监测钠中的缓发中子。钠容器充满时钠样品溢出，流经涤气器，在涤气器中钠与逆向流动的载气（氩气）大面积接触，裂变气体被涤取，并送出堆外进行静电沉降，再检测其中裂变产物的含量。载气由气泵送回涤气器的下端，钠流最后回到钠池中。这一套系统基于多道阀方法，除了探测缓发中子，还增加了对裂变气体的探测，提高了定位的准确度。

印度在实验快堆FBTR和示范快堆PDFR中参考法国凤凰堆的设计，也采用了这一破损定位技术［6，7］。

通过多道阀定位系统的运行经验表明，该方法可以成功精确定位到组件。多道阀定位主要优点在于：通过转动取样阀门，可以遍历所有燃料组件实现精确定位；中子探测器响应迅速，数据采集和处理简便易行。

图1 多道阀定位系统示意图Fig.1 Schematic of multiple valve location system

图2 Phenix燃料破损定位系统Fig.2 Fuel failure location system in Phenix

多道阀方法的不足之处在于阀门和与之相连的取样管占用堆容器空间，特别是对于回路式快堆，堆芯上方的空间很小，不适宜阀门和取样管的安装及运转，可能造成取样管线的缠绕和阀门运转的卡顿。此外，阀门和电磁泵的结构材料在高温和辐照环境下，设备稳定性不佳，受钠的腐蚀比较严重，耐用性差，且不便检修。目前，对该方法的研究主要集中于硬件设备的改进，如优化取样阀门，采用气体提升泵代替潜式电磁泵［8］。

1.2 啜吸法

啜吸定位法源于压水堆［3，9］，目前已成功应用于钠冷快堆中。啜吸定位方法的基本原理是：把燃料组件隔离在一个封闭的啜吸室内，靠燃料自身的衰变热或者用加热器加热（当燃料的燃耗较低或者存放时间太久，即衰变热不足时采用后者），使裂变产物从燃料棒破口逸出进入啜吸室内的介质中，然后提取介质样品，用γ或者β探测器进行探测和分析，以确定破损燃料组件所释放的裂变产物是否存在，这样就能鉴别破损的燃料组件。

按照啜吸室内的介质特性可以分为干式啜吸和湿式啜吸。干式啜吸是指啜吸室内燃料组件处于气体或真空环境中，湿式啜吸是指啜吸室内待测燃料组件浸泡在液体环境中。

中国实验快堆（CEFR）的燃料破损堆内定位探测系统采用干式啜吸方法［10］。如图3，它由装卸料机、充气支路、测量支路、保护支路组成。进行检测时将堆内覆盖气体降压。操纵反应堆的大、小旋塞并将待测燃料组件吊入装卸料机内腔，经过下列5个步骤进行测量：1）清洗各支路；2）排钠；3）升温；4）测量；5）排气。升温过程中启用定时保护控制器，到达指定时间后，保护电磁阀开启使钠重新淹没燃料组件，避免燃料组件过热造成人为破损。系统探测的核素主要是85Kr、135Xe和133Xe，探测限值由清洗后系统的本底值所限定。测量数据记入燃料档案。

图3 CEFR燃料破损堆内定位系统Fig.3 In－core fuel failure location system in CEFR

上述CEFR中啜吸定位系统以装卸料机作为啜吸室，需将燃料组件从堆芯位置转移，这是传统的装卸料机啜吸法，还有一种方法是以燃料组件盒作为啜吸室，燃料组件留在堆芯原位，即堆芯啜吸法，日本Joyo堆中采用了这种方法［11］。其定位原理如图4所示。

该系统中关键的钠取样环节采用钠吸允技术，通过吸允探头与燃料组件出口的吸合，降低探头中的气压将燃料组件中的钠压进吸管，然后充入氩气，将样品钠中的裂变产物转移到氩气测量回路中进行γ谱测量。测量后将钠和循环氩气送回反应堆容器，对于一盒燃料组件，上述整套过程大约耗时30min。

图4 Joyo燃料破损定位原理示意图Fig.4 Schematic of fuel failure location in Joyo

啜吸法定位准确，通过将单盒组件与外部的钠隔离，避免了外界对组件内裂变产物核素的干扰，精确度高。该方法主要缺点在于必须在停堆后进行，而且，在啜吸室内裂变产物的释放需对燃料组件升温，这也延长了停堆的时间。

1.3 标记气体法

标记气体法［12］是钠冷快堆中独有的燃料破损定位技术。在同一盒组件中的每一根燃料棒中充入少量具有特定同位素组成的惰性稳定核素气体（主要是Kr和Xe），不同组件充入的气体具有不同的同位素浓度比，这样，每一盒燃料组件具备了独特的同位素气体标记。

定位原理如下：如图5所示，燃料破损后，部分Kr和Xe标记气体从包壳破口中逸出，经冷却剂钠进入堆芯上方覆盖气体。通过对覆盖气体取样收集Kr和Xe，使用质谱仪分析其同位素比例，将测得的标记同位素浓度比值与装入燃料棒的比值比对，就能确定哪一盒组件发生了破损。

图5 标记气体定位系统示意图Fig.5 Schematic of tag gas location system

标记气体定位法于1969年首次试用于美国EBR2反应堆，为了验证能否测到标记气体，将0.7ml Xe的稳定核素标记气体注入10m3的覆盖气体Ar中，扩散24h和48h后取样，通过质谱仪分析的成分比例与初始注入的标记气体浓度比相同，证明了标记气体法是可行的。随后，标记气体法大规模应用在EBR2的燃料组件中。在快通量实验装置（FFTF）中，由于组件数量更多，需要制作更多的浓度比值标签，增加了Kr的稳定同位素78Kr、80Kr和82Kr作为标记核素［13］。

日本的两座快中子堆中，除了采用啜吸方法定位破损组件，也进行了标记气体定位的研究。在JOYO堆中设置了一套附加的标记气体定位系统［14］。其主要设计参数见表1。

表1 Joyo堆标记气体参数表Table 1Main parameters of tag gas in fuel failure location system of Joyo

日本研究了一套系统的标记气体工艺流程，包括标记气体充入到单根燃料棒的装填方法，取样设备中分离提纯标记气体的设备。基于在长阳堆的运行经验，日本将这一套方法引入到文殊堆［15，16］中，并采用了先进的激光共振离化质谱仪，使分析检测水平达到微痕量级。

标记气体定位系统从覆盖气体中取样，因此可以在反应堆运行时定位燃料破损。由于不同组件添加不同比例的标记，所以依据测量的标记浓度值可以精确定位到组件。标记气体核素本身的活化，裂变产物中生成的标记核素的影响，都会造成初始标记比值的偏移，这是标记比的前端设计和后端的分析过程中，都是必须面临的问题。此外，燃料棒发生气密性破损后，从包壳内释放的标记气体份额很难预知，可能释放量太小，扩散到覆盖气体中的浓度可能达不到质谱仪的最低探测限。

1.4 年龄法

年龄定位方法（Age Method）也叫气体裂变产物放射性活度比方法，其定位原理是依据裂变产物中长半衰期核素与燃耗的对应关系，通过燃耗计算来推断破损组件所在的区域。美国在EBR－2中利用Xe的放射性核素活度比定位法作了不同的尝试，积累了大量的经验［17］，见表2。

表2 EBR－2中采用的裂变气体活度比定位法Table 2 Fission gas relative activity method used in EBR－2

印度在FBTR和DFBR中设计的燃料破损监测和定位系统运用了年龄法定位，年龄方法的概念就是由印度提出的。主要采用了Kr和Xe两种元素。以Kr为例，年龄法定位流程如下：从取样气体中捕集Kr（Xe）的同位素气体，通过高分辨率γ谱仪，得到87Kr和88Kr的活度。短半衰期的Kr核素通过延迟而衰变掉，再测量85Kr的活度。87Kr／88Kr的比值用于修正Kr的扩散时间，而85Kr／88Kr的比值用于获取破损组件的平均燃耗，从而确定发生破损的燃耗所在区域。Xe年龄定位则是根据132Xe／133Xe或134Xe／133Xe的比值与破损燃料的燃耗相对应关系，与不同位置燃料组件的燃耗计算比对，从而确定破损组件位置。

该方法采用的系统设备简单，只需在覆盖气体监测系统设置支路即可，可以在线定位，对反应堆其他热工参数无影响。主要缺陷在于定位精确度不高，只能定位一定燃耗范围内的组件，不能定位到单个组件，测量过程易受干扰核素影响，依赖于精细燃耗计算。

1.5 中子通量倾斜法

反应堆运行时，将可疑的破损组件附近的控制棒抽出，使此组件受到较高的，畸变的中子流照射。与此同时，将其他控制棒插入，以保持反应堆功率不变，然后观察覆盖气体中放射性活度的变化，如果放射水平不断上升，那么破损燃料组件就位于被抽出的那根控制棒周围。这种粗定位方法的可靠程度取决于控制棒、燃料组件的相对位置和相对数量。该方法适用于小型堆，可以推算到组件所在的大致区域。

日本在Joyo堆上进行的一系列FPS（裂变产物源）试验［18］，结果证明：通过移动FPS附近的控制棒引起的局部中子通量变化，发现覆盖气体中短寿命裂变产物的活度随控制棒的插入模式而变化，因此在长阳堆上，通量倾斜法可作为一种辅助破损定位系统使用。

德国KNK－2堆中，在15%功率下，进行了通量倾斜法来定位的试验［19］。所不同的是，通过观测缓发中子信号而非覆盖气体放射性活度的响应（如图6，图7所示）。5个控制棒将堆芯分成4个象限，通过改变控制棒位，来改变功率分布，根据东西两个回路上布置的DND探测器信号的变化，可以判断燃料破损出现在哪个控制棒附近。此次试验的结果在停堆后由干式啜吸法证实。

图6 KNK－2堆芯控制棒和DND探测器布置ig.6 Location of DND monitors and control rod

图7 核功率15%下通量斜变法定位结果Fig.7 Result of flux tilting operation at 15%nuclear power

该方法原理简单，无需停堆，无需单独设置定位设备。主要缺点在于调节控制棒位置对反应堆其他操作产生影响，需要对运行计划有通盘考虑，只能粗定位到控制棒附近的区域。因此，该方法仅仅作为一种辅助性的定位手段。

1.6 缓发中子信号回路比方法

堆芯一回路钠的流体特性，部分地反映在缓发中子信号上。对于回路式快堆，缓发中子信号包含着先驱核从燃料棒破口经一回路管道到达缓发中子探测器（DND）的迁移行为特征。理论上，缓发中子信号能对破损燃料棒周围冷却剂的局部异常作出快速响应。更进一步地，通过DND系统不同测点的信号强弱，可以判断初步破损组件所在的堆芯区域。

日本JOYO堆上在1MW恒定功率下进行裂变产物源辐照试验，验证了缓发中子回路比方法用于局部定位破损组件的可行性［18］。一般而言，布置缓发中子探测器的测点越多，获取的破损位置信息越具体。

缓发中子回路比方法用在上述反应堆内是作为破损探测设备，同时是一种辅助的定位手段，有助于缩小破损组件搜索范围。而值得注意的是，美国在FFTF中基于三个一回路出口的缓发中子信号强度比值，进行了组件破损精确定位的实验研究［20］。用缓发中子回路比实现精确定位的核心在于，建立燃料组件位置与三个一回路缓发中子探测器信号比之间的函数关系。在FFTF中，采用了基于HCM（HCM是热工水力堆芯模型，由0.285倍FFTF大小的堆芯和冷却剂池组成）稳定状态下的测试数据得出的经验关系。在较低的核功率下，使其中一个回路的泵停止工作，获取其他两个运行中的回路DNM信号。依次切换不同回路上的泵，得到三个独立的回路比网格图。该方法正确地定位了FFTF堆芯DE－9位置的破损，但是未能定位CAN－1位置的破损。

缓发中子回路比方法的主要优点在于，采用DND燃料破损探测系统，无需专门设置机械的定位装置。该方法实现精确定位的难点在于缓发中子先驱核随钠流从堆芯上部区域到一回路入口的混合情况和统计特征，而解决这个问题尚缺乏系统的理论支撑，因此距离工程应用为时尚早。

2 各种破损定位方法小结

以上六种方法，它们有各自优缺点，究竟采用哪些定位方法需要综合考虑后再做选择。

从可行性和可靠性的角度考虑，啜吸法和多道阀方法是最为准确的，最为成熟，使用的最为广泛。标记气体法定位可以实现精确定位，但亟须解决燃耗导致的标记值漂移的问题。年龄方法的准确性取决于燃耗的精确计算。通量倾斜法定位的区域仅限于控制棒附近。缓发中子回路比方法目前只能实现粗略定位，其向精确定位的发展任重道远。

从经济性角度考虑，啜吸法和多道阀方法要求反应堆必须停堆，以便操作多道阀门或啜吸套筒，由此带来巨大的停堆经济性损失，也降低了反应堆的负荷因子。通量倾斜法和缓发中子回路比方法需要反应堆降低功率，对反应堆运行计划造成冲击，也影响反应堆的经济性。年龄方法，标记气体方法可以通过从覆盖气体取样系统引出支路进行监测，重点在于后端监测结果的计算分析上，对堆的运行不施加任何干扰，因此经济性最佳。

3 国际上钠冷快堆中燃料破损定位技术的研究历程和发展趋势

在实验快堆和早期试验堆发展阶段，有大量的燃料和材料辐照考验试验，燃料破损定位用于运行至包壳破损试验（Run－to－Cladding－Breach Test，RTCB）的换料期间，采用水堆中的啜吸和多道阀门法。燃料破损定位只是作为燃料破损监测的一个附加流程，对于定位方法的研究多是沿用水堆的做法加以改进。这一点在前苏联的快堆发展体系中尤为明显。

在原型快堆和示范快堆发展阶段，钠冷快堆必须要展现出足够的经济性，这就要求破损定位足够快而准确，将停堆带来的经济损失降到最低限度。燃料破损定位技术研究得到了越来越多的重视。美国对上述六种定位方法做了大量实验，积累了非常丰富的经验。法国在凤凰堆和超凤凰堆中重点对多道阀门法进行了深度优化，并初步尝试了标记气体法。

这一阶段的燃料破损定位研究的特点是：反应堆中通常配置至少两套燃料破损定位系统，其中啜吸法作为最后验证另外几种方法定位结果手段；燃料破损定位不再限于早期的停堆后检查，而是以反应堆运行时的在线定位为目标。在欧美传统核电大国的快堆研究陷入低谷之时，日本重点研究和设计了标记气体法，并通过长阳堆上的辐照试验，然后大规模用于全堆芯燃料组件，并推广到文殊堆。印度在FBTR中将气体裂变产物放射性活度作为其粗定位的手段，在PFBR中明确了采用多道阀法与年龄法相配合作为其燃料破损定位策略。

进入新世纪以来，国际上推出第四代先进核能系统的概念，其标准体现在更严格的安全性和更强的经济竞争力。尤其是在福岛核事故之后，核电安全成为核能研究中的重中之重。而反应堆燃料破损定位系统作为一套反应堆的安全检测设施，理应受到更多的关注。钠冷快堆作为第四代核能系统的主力堆型，其商业化进程，也对燃料破损定位技术提出了更高的要求：实现在线定位和精确定位相结合，提供实时的准确的燃料破损位置信息。在线精确定位的优势主要体现在两方面：一方面减少停堆检查时间从而提高经济性，另一方面通过实时获取的破损燃料组件位置信息，在计算破损组件处的中子场和钠流场，为燃料破损大小和破损恶化趋势提供数据输入，进而为带伤运行时间提供参考。

4 中国钠冷快堆燃料破损定位的技术路线建议

在系统调研各种燃料破损定位技术特点的基础上，分析国际上该领域的前沿和发展趋势，可以看出两点：其一，在线精确定位是主流趋势，而目前只有标记气体法是符合这一趋势的可行方法。其二：至少需配备两套独立的破损定位系统，提供一定的冗余，而且采用粗定位和精确定位相结合的策略，比较粗定位的结果与精确定位的结果，起到相互验证的作用。

建议在后续商业示范快堆研发过程中，应该采取的策略是：采用标记气体定位法为主，年龄定位法为辅，沿用啜吸法作为最终检查验证手段。现阶段，应以CEFR为平台，对部分系统和设备进行小范围改造和升级，开展标记气体法的小规模实验研究，同时深入开发燃耗精细计算程序和方法，论证标记气体法与年龄法相结合的可行性。

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