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摘要：核电厂控制棒组件在反应堆堆芯承担功率调整和安全停堆重要功能。良好状态下的控制棒组件是核电厂安全运行的基本保障。近年来，国内外核电厂控制棒组件落棒试验超差，卡棒和破损等事件时有发生，严重影响到了反应堆安全和电厂可靠性。国内核电厂控制棒运行经验少，且没有控制棒更换的相关法规或标准，这使得对控制棒寿命分析尤为重要。本文通过对压水堆核电厂控制棒在反应堆运行过程中的主要缺陷分析，以及对控制棒在各循环棒价值测量数据分析，提出了压水堆核电厂控制棒使用寿命建议。
关键词：控制棒组件；缺陷分析；寿命分析
中图分类号： TL421 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（a）-0000-00
1 引 言
控制棒组件在反应堆堆芯担任反应堆功率调整、安全停堆重要功能。其本身的可靠性，直接影响反应堆的安全。随着核电站运行时间的增长，控制棒辐照累计剂量增加和在燃料组件导向管中摩擦次数增加，控制棒可能发生如下损伤：磨损、肿胀和裂纹。控制棒组件价值昂贵，国内控制棒更换周期没有明确限制，本文探讨了压水堆控制棒组件运行过程中出现的主要缺陷以及堆内物理试验数据结果分析，提出了压水堆控制棒使用寿命建议，以供参考。
2、控制棒运行过程的缺陷分析
在反应堆运行过程中，控制棒组件处于高温、高压和高放射性的特殊工况下，在其包壳上可能产生磨损、肿胀和裂纹等典型的缺陷。这三种缺陷的产生和发展是关系到控制棒组件能否继续入堆使用的重要依据。
2.1 磨损缺陷
控制棒在反应堆中，其棒体不同区域相对导向管所处的位置不同，具体工况会存在差异，从而导致出现不同的缺陷。通常按运行期间控制棒位置，将控制棒包壳分为三种区域：板块区域、常规区域和尖部区域。板块区域为控制棒与导向管端部接触的区域；常规区域为控制棒未插入燃料组件且未与导向管端部接触的区域；尖部区域为控制棒停留在燃料组件内的区域。
反应堆正常运行时，控制棒上部较长范围处在燃料组件的上方（包括常规区域和部分板状区域），而仅有下部一段停留在燃料组件导向管中（包括尖部区域和部分板状区域）。其中板状区域由于受水流冲击影响，控制棒会频繁与导向管端部相碰撞，从而产生微震磨损。所以绝大部分的微震磨损均出现在板状区域，常规区域和尖部区域不会出现此类磨损。另一种情况为控制棒在反应堆正常运行期间做上下步进运动时，由于与导向管之间不可避免会存在局部摩擦，最终导致产生磨损，即步进磨损和急停磨损。
磨损缺陷的出现是一个长期过程，若控制棒包壳管磨穿，控制棒吸收材料（银-铟-镉合金）进入一回路系统，会加速一回路管道腐蚀速率。
2.2 肿胀缺陷
控制棒包壳材料接受高温、高压和高剂量中子照射，内部的缺陷聚集，造成包壳材料的辐照肿胀；银-铟-镉吸收体受热和吸收中子体积膨胀，当膨胀体积超过包壳内径时，将导致包壳肿胀现象的发生。对于控制棒下端的尖部区域，由于反应堆正常运行期间始终停留在燃料组件内，会大量吸收热量和中子，且此区域的辐照强度非常高，在服役一定时间后，在此区域将更容易出现肿胀现象。
控制棒包壳管辐照肿胀，将直接导致控制棒落棒时间超差，甚至卡棒。
从控制棒无损检测数据分析看出，控制棒组件棒体直径变化和是否担当主调节棒有很大关系，担当主调节棒次数越多，控制棒体平均直径、直径最大值都大。这与肿胀产生机理结论是一致的。
不锈钢材料辐照肿胀经验指出：当不锈钢辐照中子积分通量达到1022n/cm2以上后，材料内部缺陷在一定的条件下就会聚集，造成不锈钢材料的辐照肿胀。肿胀量与辐照温度、中子注量有关，堆芯满功率稳定运行情况下，辐照温度变化不大，因此，肿胀量与中子注量成正比。650MWe压水堆核电机组堆芯满功率运行时快中子通量（E>0.82Mev，n/cm2.s）约为3×1013 n/cm2.s，一个燃料循环运行时间约为2.6×107s，进行如下简单计算：
从上述经验公式估算值可以看出，正常运行的控制棒组件在堆内服役十二、三年后就会发生包壳管可记录的肿胀，这也与国内外控制棒检查结果一致。
推行控制棒换位策略，即考虑主调节棒换位，是一个非常可行的控制棒延寿措施。
2.3 裂纹缺陷
随着核电站运行时间的增长，金属材料的性能逐渐降低，对于控制棒这种处在高温、高压和强放射性等极其恶劣的特殊工况下的材料，其性能降低的速度更加明显，极易导致裂纹缺陷的产生。当控制棒包壳发生肿胀时，由于张力的增加势必加速裂纹缺陷的产生，所以在出现肿胀缺陷的同时伴随有裂纹缺陷。因此在控制棒组件运行中后期，应加强裂纹缺陷的检查。裂纹缺陷最终会导致控制棒包壳管破裂，银-铟-镉吸收体进入一回路，在运行期间会增加净化系统的负担，停堆后会增加检修操作剂量。
上述三种主要控制棒缺陷，直接影响控制棒使用寿命。可通过无损检查，对比分析控制棒组件状况、缺陷产生发展变化和趋势，预测控制棒组件失效时间，从而有效提供控制棒调整、更换依据，达到控制棒组件良好监测目的。
3、物理试验中控制棒数据结果分析
650MWe压水堆核电机组全部采用银-铟-镉合金作为控制棒吸收体材料，即传统意义上的黑棒。这是因为镉的热中子吸收截面很大，银和铟对于能量在超热能区的中子又具有较大的共振吸收能力。另外，该控制棒材料单位体积中含吸收体核数较多，而且它吸收中子后形成的子核也具有较大的吸收截面，吸收中子的能力不会受自身的“燃耗”的影响。
从图1 机组各循环棒价值测量数据来看，所有结果都符合±10%的验收准则，虽然结果有一定波动且有略微偏负的趋势，但这可能跟理论计算结果、测量过程等相关，并不能说明控制棒有明显的燃耗现象。因此，控制棒寿命不需要考虑其本身随循环增加带来的棒价值损失。
4、结论
RCC-C提到控制棒设计的基准是应考虑相关组件在堆内的时间至少为15年，这是从设计、材料和运行经验中提出的设计要求，但国内并没有相关法规或标准对控制棒组件更换的时间要求。
由于控制棒组件在寿期内的棒价值不变，并且在运行过程中银-铟-镉合金吸收体不释放气体，我们认为只要控制棒组件的机械完整性良好，能够承受所有的运行载荷，特别是在紧急停堆和按步进操纵控制棒升降时由控制棒驱动机构所施加的最大载荷，控制棒的磨损、肿胀和裂纹没有超出设定阈值，结合电站现场一些如换位策略等优化管理措施，控制棒组件15年使用寿命是可行的。
参考文献
[1] 郁金南. 材料辐照效应. 化学工业出版社，2007.1.
[2] 薛淑娟 “反应堆控制棒材料Ag-In-Cd 的热物理性能测量”.核动力工程.2004.12
[3] 阮於珍.反应堆材料