破損元件探測元件破損探測系統(tǒng)建立

為了保證反應堆的安全運行和防止核污染，每個反應堆都必須安裝元件破損監(jiān)測系統(tǒng)。常用的破損探測裝置，如緩發(fā)中子探測站、總γ探測站及靜電沉降器等，它們用于反應堆之前，必須進行靈敏度標定和穩(wěn)定性考驗。為此，需要建立一套實驗裝置和實驗方法來對破損探測系統(tǒng)進行標定、考驗、研究和改進 。

燃料元件破損探測方法早期有機械方法和物理化學方法，一但這些方法都沒有在堆上得到廣泛的應用?？偊蒙渚€和選用能譜的測量方法、契倫科夫效應法、用樹脂過濾裂變產物進行γ監(jiān)測、用靜電沉降短壽命裂變氣體以及緩發(fā)中子法等都在不同堆上得到廣泛的研究與應用 。

標定元件包殼破損探測系統(tǒng)的方法，一般包括建立一個流經(jīng)反應堆活性區(qū)的實驗回路，以及制備模擬元件破損的鈾樣品。這些鈾樣品在中子輻照下產生的裂變產物由回路水帶出，用以模擬元件破損，由此來對各種探測器或探測系統(tǒng)進行標定及確定最佳使用條件 。

科學家曾經(jīng)用真實金屬鈾元件刺孔或開縫作為鈾樣品來模擬元件破損進行實驗。這種方法操作很不方便，核燃料用量較大，放射性污染嚴重，標定精度較差，安全性也較差。后曾采用給回路水中注硝酸鈾酞溶液的方法。它的缺點是：回路被鈾嚴重沽污，并且很難清洗干凈，后繼實驗因本底升高無法進行；鈾的利用率很低 。

為了克服上述實驗方法的缺點，科學家采用鈾樣品球方法，鈾樣品球可提供以露鈾面積及鈾量兩種參量來標定破損探測方法。由于露鈾面積和鈾量可準確測定，提高了標定的精確度。采用鈾樣品球方法，核燃料消耗量極少，利用率很高，較為經(jīng)濟。此外，鈾樣品球可多次重復使用，意味著很大的節(jié)約。提高了實驗的安全性。真實元件刺孔法由于人為的破損有迅速發(fā)展的可能，如果處理不及時或處理不當，會造成很大的污染。注硝酸鈾酞溶液的方法則會使整個回路造成鈾污染。采用鈾樣品球法，由于用鈾量很少，腐蝕下來的鈾以分子或微粒被冷卻水沖走，不會造成污染，放射性廢物處理量也少。破損信號的產生與停止不涉及反應堆的操縱控制，鈾量及露鈾面積可自由選定實驗既靈活又方便 。

反應堆運行期間，個別元件棒會產生局部的破損，裂變產物逸入冷卻劑中，使回路、設備、廠房、甚至周圍環(huán)境放射性水平增高，危及運行人員乃至周圍居民的安全 。

破損元件探測啜吸法

從60年代起，國外普遍采用了“啜吸法”(sipping)技術來探測元件破損 。

在堆換料期間，將燃料組件送到貯存水池并放入一密封罐內浸泡約15分鐘，然后從罐中抽取水樣，測定水樣中碘133和碘131含量來判斷是否有破損元件棒，此為“濕啜吸”。濕法由于系統(tǒng)沾污，探測靈敏度較低 。

在濕法基礎上又發(fā)展了“干啜吸法”，將組件放入一無底隔離罐中先用壓縮空氣將罐內水壓出，讓元件曝露于空氣中，(約5一25分鐘)，元件得不到冷卻溫度升高，元件內裂變氣體釋放增加并向外逸出。然后抽出罐內氣體重新使元件浸沒在水中。對抽出氣體進行放射性測量來判斷元件是否產生破損。此法靈敏度較濕法高，但存在著元件可能過熱燒毀的危險.以上方法都只能檢測出組件破損，為了定出組件中哪一根元件棒破損還需抽出全部或部：分元件棒逐個檢查(可用外觀或渦流檢查等)，將確定破損元件棒用好元件或假元件更換，將其余好元件重新插回組件，然后再返回到堆中重新使用 。

啜吸法存在兩個問題：

①定位破損元件棒需化費較長時間，檢查一盒組件約需一小時左右，還不包括解體、重新組裝時詞。停堆時間長短是影響核電經(jīng)濟性的，一座180萬千瓦核電站停堆一天將影響產值約164萬美元。

②組件解體及重新組裝過程中，組件定位格架使元件包殼表面擦傷或刻有溝槽，元件棒重新投入運行使帶有隱患。若將帶有破損棒組件棄之不用則更不經(jīng)濟(一盒組件約需近百萬美元)。

鑒于上述情況，自70年代以來，國外有不少人研究發(fā)展定位探測破損元件棒新方法，這些方法都不需解體組件即能迅速、可靠地定位破損元件棒 。

破損元件探測元件棒上端氣腔內潮氣監(jiān)測器

元件破損后水將進入包殼，遇到熱元件產生水汽，它會上升到元件上端氣腔內，在那里設置一潮氣監(jiān)測器可以指示元件破損。

一種潮氣監(jiān)測器采用易潮解的磁性壓緊體作為敏感體，(如鋁粉、汞化合物及鐵粉混合物)裝入一非磁性抗潮材料的盒子內，盒上方留有空間，盒上開有小孔。如元件破損，則水汽從小孔進入盒，水汽潮解了盒內壓緊體，汞化合物是鋁粉潮解的催化劑，壓緊體體積膨脹。元件端帽處可利用磁測量探頭來測量盒內磁阻的變化。如圖1所示。

另一種形式潮氣監(jiān)測器（片形結構潮氣監(jiān)測器），如圖2所示，是一個鐵磁體容器懸掛在元件氣空間上端，容器上端開孔，幾片固體材料支撐使容器被懸掛在球體上，這幾片固體材料是由潮解物組成(碳化鈾、碳化牡、碳化鈣等)，它們遇水汽潮解后碎成粉末，這樣容器便落到氣空間底部，磁容器位置變化可由元件棒外磁感應探測裝置測出 。

破損元件探測元件棒氣空間設置氣體壓力監(jiān)測器

由于元件預充氣及輻照過程中不斷產生裂變氣體，元件內壓力升高，有時甚至達175公斤力/平方厘米，但一旦元件破損氣體漏出，氣壓將會下降。在元件棒氣空間L方設置一氣壓監(jiān)測器即可報知元件破損。

圖3為兩種氣壓監(jiān)測器示意圖，氣空間有氣壓時薄膜彎曲(或波紋管膨脹)推動拋射物在導向管內向上移動，拋射物上截是由磁鐵組成，其移動距離可用渦流法測出 。

破損元件探測紅外測量元件端塞溫度法

停堆換料期間將組件送到貯存水池，移走組件上端管座，將組件垂直地放入水池中一特制容器內。容器上端開口，由元件剩余發(fā)熱或下部的加熱冷卻裝置使容器內水溫維持在100℃。用吊車將一鐘形罩罩在容器上，它與容器形成一環(huán)形間隙。氣體從供氣孔通過噴嘴向覃內供氣。壓縮空氣將水從環(huán)形間隙向外排出，使罩內維持一定水面，此水面應稍高于元件棒內燃料塊，以保證其得到冷卻。元件棒上端氣空間暴露在氣體中。元件端塞受到氣流冷卻，這樣，破損元件的端塞溫度將比未破損的高。用紅外測溫掃描探頭測得各元件端塞溫度分布即可知那根元件破損。為了避免元件釋放的γ射線干擾，可增設γ屏蔽，也可用鏡子反射紅外光 。

破損元件探測振動監(jiān)測法

水進入元件破損處遇到熱元件會產生沸騰或湍流，它們都具有一定的振動頻率及幅度，如能探測到這些信號，就可推知元件發(fā)生了破損。探測裝置是利用一根具有高彈性模量的長探桿(彈性模量超過2000000磅/英寸與伸入水下緊緊接觸水下元件組件上管座，元件破損引起的沸騰及湍流的振動將傳遞到整個組件，探針緊貼探桿上端，它將振動信號按圖4系統(tǒng)轉變?yōu)殡娦盘枅缶蛴涗洠甘驹茡p 。

考慮到沸騰產生水飽可能會吸附到燃料塊表面或元件棒上端，有人采用了一些改進辦法，設法使元件棒內壓力高于外部浸沒水壓，迫使元件內水泡向外排出，產生振動?，F(xiàn)舉三種改進辦法：

斷流法：將一罩子放在元件上，隔斷通過組件的冷卻水，罩子上方留有一定量空氣，這樣使元件溫度升高，元件內壓亦增高。

加壓法：將組件放入一壓力容器，此容器可瞬時加壓。容器密封后經(jīng)3^#排水閥將水抽走，然后通過供氣口充氣并達一定氣壓，如包殼有破損，則氣體進入元件棒此后，通過供水口用泵將水打入容器，使氣水壓達到平衡，水位高過元件時再打開3^#閥放水，氣體通過1^#閥進行抽空，2^#閥保持水壓。突然打開3^#閥排水，容器內壓力突然降低，元件內壓大于水壓，破損元件內氣泡必然從孔向外排出。

換料過程降壓法：將測振探測器放在吊裝元件抓鉤上，元件從反應堆中向上吊出，組件在水中浸沒深度逐漸減小，元件棒外水壓可降低一半，這就足夠引起元件內水泡向外發(fā)射。

上述改進裝置中均設有振動器使元件受振動，強迫水泡從破口處排出。觀察水泡出現(xiàn)在水面的位置可判斷破損元件棒位置，破損的垂直部位可通過測定水泡發(fā)射到達水面經(jīng)過的時間來推斷。

破損元件探測超聲波監(jiān)測法

將一小尺寸超聲波探頭插入組件元件棒下端，貼著元件氣空間外壁向內發(fā)送幾兆赫的超聲波，同時它又接收其反射波，如圖5。破損元件氣空間充水，反射波有二個。非破損元件內充氣，僅一個反射波。

超聲波探頭是將一個小超聲波探測元件(如鋯鈦酸鉛)嵌在一窄條形鋁載體內。當條形鋁插入元件棒之間時，探測元件與條形鋁面相平。探測元件一面緊貼待測元件氣空間外壁，其反面襯以聲阻尼材料(如鎢粉與多硫化合物聚合體)，探測元件四周用去耦絕緣材料隔開，以減少超聲耦合。探測元件表面與鋁相通接地，其信號線引到同軸電纜直送到超聲儀上。可以制成多路探測器，并用自動控制移位探頭達到迅速地檢查所有元件。

另一種超聲波探測器是垂直對準元件上端帽進行測量，裝置中元件上氣腔段一部分進行電加熱，則破損元件內水或水汽受熱后蒸發(fā)上升，元件端帽處用水冷卻，水汽在端帽處冷凝形成液滴下落，超聲波探頭對準端帽發(fā)射及接收超聲波，破損元件氣腔內由于水的蒸發(fā)、冷凝、液滴形成及一下落均對反射波產生干擾，而非破損元件則無此干擾，因而兩者可加以區(qū)別。加熱氣腔段可采用高頻感應加熱(100千赫)，功率約為300瓦。頻率高則感應線圈匝數(shù)可少，體積小。測量時需移去組件上管座 。

元件棒上端氣腔內潮氣監(jiān)測器和元件棒氣空間設置氣體壓力監(jiān)測器這兩種方法的優(yōu)點是不需將元件移出堆外即能定位探測破損棒。易操作，省時間。但需要在每個元件棒上裝一傳感器。這給元件制造增加了不少麻煩。并且堆內測量輻射劑量大，裝置需采用耐輻照材料。

紅外測量元件端塞溫度、振動監(jiān)測和超聲波檢測方法具有下列優(yōu)點：

1.不受放射性環(huán)境影響，它們多是采用非放射性測量技術，沒有沾污本底問題；

2.定位檢測時僅需移走元件組件上管座，不需抽出元件，避免了擦傷；

3.不需在元件上另設附加固定裝置。

從檢測時間上看，后三種可能不及前兩種方法快。目前發(fā)展后三種方法較多，尤其是超聲波監(jiān)測。超聲探測技術比較成熟，探測出元件破損的把握性較大，已經(jīng)在反應堆上應用 。

破壞、受損 ；殘破損壞；破裂;損傷。

《三國志·魏志·公孫淵傳》“悉斬送 彌 晏 等首” 裴松之 注引 三國 魏 魚豢 《魏略》：“此誠暴猾賊之鋒，摧矜夸之巧，昭示天下，破損其業(yè)，足以慙之矣?！?

2、殘破損壞。

①明 葉憲祖 《寒衣記》第二折：“ 劉 家大舅！俺看你衣衫破損，多應囊橐空虛?！?

②清 沈復 《浮生六記·閨房記樂》：“字畫之破損者，必覓故紙粘補成幅，有破缺處，倩余全好而卷之，名曰‘棄馀集賞’?！?

③楊朔 《木棉花》：“這是一段長長的路，旅客須得提著行囊，走過破損的橋梁，才能跳上對岸那輛火車。”

④宋 蘇軾 《乞降度牒修北岳廟狀》：“自 熙寧 間，因守臣 薛向 奏請，止曾完葺正殿，自馀諸殿及廊廡門宇墻垣，久已疏漏破損?！?

3、破裂；損傷。

①唐 陸龜蒙 《奉酬襲美先輩初夏見寄次韻》：“昨日云破損，晚林先覺晴?！?

②《水滸傳》第九八回：“ 瓊英 見他來的兇猛，手拈石子，望 李逵 打去，正中額角。 李逵 也吃了一驚，幸得皮老骨硬，只打的疼痛，卻是不曾破損?！?100433B

監(jiān)測原理監(jiān)測參量的選取監(jiān)測原理監(jiān)測原理框圖監(jiān)測刀具磨損和破損的方法很多，可分為直接測量法和間接測量法兩大類。直接測量法主要有：光學法、接觸電阻法、放射性法等。間接測量法主要有：切削力或功率測量法，刀具和工件測量法，溫度測量法，振動分析法，AE法，電機電流或功率測量法等。

比較現(xiàn)有的刀具磨損和破損的監(jiān)測方法，各有優(yōu)缺點，我們選取聲發(fā)射(AE)和電機電流信號作為監(jiān)測參量。這是因為AE信號能避開機加工中噪聲影響最嚴重的低頻區(qū)，受振動和聲頻噪聲影響小，在感興趣區(qū)信噪比較高，便于對信號進行處理。響應速度快，靈敏度高;但重負荷時，易受干擾。而電機電流信號易于提取，能適應所有的機加工過程，對正常的切削加工沒有影響，但易受干擾，時間響應慢，輕負荷時，靈敏度低。這樣，同時選AE和電機電流為監(jiān)測信號，就能利用這2個監(jiān)測量的各自長處，互補不足，拓寬監(jiān)測范圍，提高監(jiān)測精度和判別成功率。 2100433B