為了保證反應(yīng)堆的安全運(yùn)行和防止核污染，每個(gè)反應(yīng)堆都必須安裝元件破損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。常用的破損探測(cè)裝置，如緩發(fā)中子探測(cè)站、總γ探測(cè)站及靜電沉降器等，它們用于反應(yīng)堆之前，必須進(jìn)行靈敏度標(biāo)定和穩(wěn)定性考驗(yàn)。為此，需要建立一套實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法來(lái)對(duì)破損探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定、考驗(yàn)、研究和改進(jìn) 。

燃料元件破損探測(cè)方法早期有機(jī)械方法和物理化學(xué)方法，一但這些方法都沒(méi)有在堆上得到廣泛的應(yīng)用。總γ射線和選用能譜的測(cè)量方法、契倫科夫效應(yīng)法、用樹(shù)脂過(guò)濾裂變產(chǎn)物進(jìn)行γ監(jiān)測(cè)、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(yīng)用 。

標(biāo)定元件包殼破損探測(cè)系統(tǒng)的方法，一般包括建立一個(gè)流經(jīng)反應(yīng)堆活性區(qū)的實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生的裂變產(chǎn)物由回路水帶出，用以模擬元件破損，由此來(lái)對(duì)各種探測(cè)器或探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定及確定最佳使用條件 。

科學(xué)家曾經(jīng)用真實(shí)金屬鈾元件刺孔或開(kāi)縫作為鈾樣品來(lái)模擬元件破損進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這種方法操作很不方便，核燃料用量較大，放射性污染嚴(yán)重，標(biāo)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(diǎn)是：回路被鈾嚴(yán)重沽污，并且很難清洗干凈，后繼實(shí)驗(yàn)因本底升高無(wú)法進(jìn)行；鈾的利用率很低 。

為了克服上述實(shí)驗(yàn)方法的缺點(diǎn)，科學(xué)家采用鈾樣品球方法，鈾樣品球可提供以露鈾面積及鈾量?jī)煞N參量來(lái)標(biāo)定破損探測(cè)方法。由于露鈾面積和鈾量可準(zhǔn)確測(cè)定，提高了標(biāo)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(jì)。此外，鈾樣品球可多次重復(fù)使用，意味著很大的節(jié)約。提高了實(shí)驗(yàn)的安全性。真實(shí)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(shí)或處理不當(dāng)，會(huì)造成很大的污染。注硝酸鈾酞溶液的方法則會(huì)使整個(gè)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(lái)的鈾以分子或微粒被冷卻水沖走，不會(huì)造成污染，放射性廢物處理量也少。破損信號(hào)的產(chǎn)生與停止不涉及反應(yīng)堆的操縱控制，鈾量及露鈾面積可自由選定實(shí)驗(yàn)既靈活又方便 。

反應(yīng)堆運(yùn)行期間，個(gè)別元件棒會(huì)產(chǎn)生局部的破損，裂變產(chǎn)物逸入冷卻劑中，使回路、設(shè)備、廠房、甚至周?chē)h(huán)境放射性水平增高，危及運(yùn)行人員乃至周?chē)用竦陌踩?。

破損元件探測(cè)啜吸法

從60年代起，國(guó)外普遍采用了“啜吸法”(sipping)技術(shù)來(lái)探測(cè)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(nèi)浸泡約15分鐘，然后從罐中抽取水樣，測(cè)定水樣中碘133和碘131含量來(lái)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(cè)靈敏度較低 。

在濕法基礎(chǔ)上又發(fā)展了“干啜吸法”，將組件放入一無(wú)底隔離罐中先用壓縮空氣將罐內(nèi)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(nèi)裂變氣體釋放增加并向外逸出。然后抽出罐內(nèi)氣體重新使元件浸沒(méi)在水中。對(duì)抽出氣體進(jìn)行放射性測(cè)量來(lái)判斷元件是否產(chǎn)生破損。此法靈敏度較濕法高，但存在著元件可能過(guò)熱燒毀的危險(xiǎn).以上方法都只能檢測(cè)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(gè)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(gè)問(wèn)題：

①定位破損元件棒需化費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，檢查一盒組件約需一小時(shí)左右，還不包括解體、重新組裝時(shí)詞。停堆時(shí)間長(zhǎng)短是影響核電經(jīng)濟(jì)性的，一座180萬(wàn)千瓦核電站停堆一天將影響產(chǎn)值約164萬(wàn)美元。

②組件解體及重新組裝過(guò)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(yùn)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(jì)(一盒組件約需近百萬(wàn)美元)。

鑒于上述情況，自70年代以來(lái)，國(guó)外有不少人研究發(fā)展定位探測(cè)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(cè)元件棒上端氣腔內(nèi)潮氣監(jiān)測(cè)器

元件破損后水將進(jìn)入包殼，遇到熱元件產(chǎn)生水汽，它會(huì)上升到元件上端氣腔內(nèi)，在那里設(shè)置一潮氣監(jiān)測(cè)器可以指示元件破損。

一種潮氣監(jiān)測(cè)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(nèi)，盒上方留有空間，盒上開(kāi)有小孔。如元件破損，則水汽從小孔進(jìn)入盒，水汽潮解了盒內(nèi)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(cè)量探頭來(lái)測(cè)量盒內(nèi)磁阻的變化。如圖1所示。

另一種形式潮氣監(jiān)測(cè)器（片形結(jié)構(gòu)潮氣監(jiān)測(cè)器），如圖2所示，是一個(gè)鐵磁體容器懸掛在元件氣空間上端，容器上端開(kāi)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(yīng)探測(cè)裝置測(cè)出 。

破損元件探測(cè)元件棒氣空間設(shè)置氣體壓力監(jiān)測(cè)器

由于元件預(yù)充氣及輻照過(guò)程中不斷產(chǎn)生裂變氣體，元件內(nèi)壓力升高，有時(shí)甚至達(dá)175公斤力/平方厘米，但一旦元件破損氣體漏出，氣壓將會(huì)下降。在元件棒氣空間L方設(shè)置一氣壓監(jiān)測(cè)器即可報(bào)知元件破損。

圖3為兩種氣壓監(jiān)測(cè)器示意圖，氣空間有氣壓時(shí)薄膜彎曲(或波紋管膨脹)推動(dòng)拋射物在導(dǎo)向管內(nèi)向上移動(dòng)，拋射物上截是由磁鐵組成，其移動(dòng)距離可用渦流法測(cè)出 。

破損元件探測(cè)紅外測(cè)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(nèi)。容器上端開(kāi)口，由元件剩余發(fā)熱或下部的加熱冷卻裝置使容器內(nèi)水溫維持在100℃。用吊車(chē)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(guò)噴嘴向覃內(nèi)供氣。壓縮空氣將水從環(huán)形間隙向外排出，使罩內(nèi)維持一定水面，此水面應(yīng)稍高于元件棒內(nèi)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(cè)溫掃描探頭測(cè)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(shè)γ屏蔽，也可用鏡子反射紅外光 。

破損元件探測(cè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)法

水進(jìn)入元件破損處遇到熱元件會(huì)產(chǎn)生沸騰或湍流，它們都具有一定的振動(dòng)頻率及幅度，如能探測(cè)到這些信號(hào)，就可推知元件發(fā)生了破損。探測(cè)裝置是利用一根具有高彈性模量的長(zhǎng)探桿(彈性模量超過(guò)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(dòng)將傳遞到整個(gè)組件，探針緊貼探桿上端，它將振動(dòng)信號(hào)按圖4系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)報(bào)警或記錄，指示元件破損 。

考慮到沸騰產(chǎn)生水飽可能會(huì)吸附到燃料塊表面或元件棒上端，有人采用了一些改進(jìn)辦法，設(shè)法使元件棒內(nèi)壓力高于外部浸沒(méi)水壓，迫使元件內(nèi)水泡向外排出，產(chǎn)生振動(dòng)。現(xiàn)舉三種改進(jìn)辦法：

斷流法：將一罩子放在元件上，隔斷通過(guò)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(nèi)壓亦增高。

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

換料過(guò)程降壓法：將測(cè)振探測(cè)器放在吊裝元件抓鉤上，元件從反應(yīng)堆中向上吊出，組件在水中浸沒(méi)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(nèi)水泡向外發(fā)射。

上述改進(jìn)裝置中均設(shè)有振動(dòng)器使元件受振動(dòng)，強(qiáng)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(guò)測(cè)定水泡發(fā)射到達(dá)水面經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)推斷。

破損元件探測(cè)超聲波監(jiān)測(cè)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(nèi)發(fā)送幾兆赫的超聲波，同時(shí)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(gè)。非破損元件內(nèi)充氣，僅一個(gè)反射波。

超聲波探頭是將一個(gè)小超聲波探測(cè)元件(如鋯鈦酸鉛)嵌在一窄條形鋁載體內(nèi)。當(dāng)條形鋁插入元件棒之間時(shí)，探測(cè)元件與條形鋁面相平。探測(cè)元件一面緊貼待測(cè)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(cè)元件四周用去耦絕緣材料隔開(kāi)，以減少超聲耦合。探測(cè)元件表面與鋁相通接地，其信號(hào)線引到同軸電纜直送到超聲儀上。可以制成多路探測(cè)器，并用自動(dòng)控制移位探頭達(dá)到迅速地檢查所有元件。

另一種超聲波探測(cè)器是垂直對(duì)準(zhǔn)元件上端帽進(jìn)行測(cè)量，裝置中元件上氣腔段一部分進(jìn)行電加熱，則破損元件內(nèi)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(duì)準(zhǔn)端帽發(fā)射及接收超聲波，破損元件氣腔內(nèi)由于水的蒸發(fā)、冷凝、液滴形成及一下落均對(duì)反射波產(chǎn)生干擾，而非破損元件則無(wú)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(yīng)加熱(100千赫)，功率約為300瓦。頻率高則感應(yīng)線圈匝數(shù)可少，體積小。測(cè)量時(shí)需移去組件上管座 。

元件棒上端氣腔內(nèi)潮氣監(jiān)測(cè)器和元件棒氣空間設(shè)置氣體壓力監(jiān)測(cè)器這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需將元件移出堆外即能定位探測(cè)破損棒。易操作，省時(shí)間。但需要在每個(gè)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(nèi)測(cè)量輻射劑量大，裝置需采用耐輻照材料。

紅外測(cè)量元件端塞溫度、振動(dòng)監(jiān)測(cè)和超聲波檢測(cè)方法具有下列優(yōu)點(diǎn)：

1.不受放射性環(huán)境影響，它們多是采用非放射性測(cè)量技術(shù)，沒(méi)有沾污本底問(wèn)題；

2.定位檢測(cè)時(shí)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(shè)附加固定裝置。

從檢測(cè)時(shí)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(cè)。超聲探測(cè)技術(shù)比較成熟，探測(cè)出元件破損的把握性較大，已經(jīng)在反應(yīng)堆上應(yīng)用 。

破壞、受損 ；殘破損壞；破裂;損傷。

《三國(guó)志·魏志·公孫淵傳》“悉斬送 彌 晏 等首” 裴松之 注引 三國(guó) 魏 魚(yú)豢 《魏略》：“此誠(chéng)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(yīng)囊橐空虛。”

②清 沈復(fù) 《浮生六記·閨房記樂(lè)》：“字畫(huà)之破損者，必覓故紙粘補(bǔ)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(zhǎng)長(zhǎng)的路，旅客須得提著行囊，走過(guò)破損的橋梁，才能跳上對(duì)岸那輛火車(chē)。”

④宋 蘇軾 《乞降度牒修北岳廟狀》：“自 熙寧 間，因守臣 薛向 奏請(qǐng)，止曾完葺正殿，自馀諸殿及廊廡門(mén)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(jiàn)寄次韻》：“昨日云破損，晚林先覺(jué)晴。”

②《水滸傳》第九八回：“ 瓊英 見(jiàn)他來(lái)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。”2100433B

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

比較現(xiàn)有的刀具磨損和破損的監(jiān)測(cè)方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們選取聲發(fā)射(AE)和電機(jī)電流信號(hào)作為監(jiān)測(cè)參量。這是因?yàn)锳E信號(hào)能避開(kāi)機(jī)加工中噪聲影響最嚴(yán)重的低頻區(qū)，受振動(dòng)和聲頻噪聲影響小，在感興趣區(qū)信噪比較高，便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。響應(yīng)速度快，靈敏度高;但重負(fù)荷時(shí)，易受干擾。而電機(jī)電流信號(hào)易于提取，能適應(yīng)所有的機(jī)加工過(guò)程，對(duì)正常的切削加工沒(méi)有影響，但易受干擾，時(shí)間響應(yīng)慢，輕負(fù)荷時(shí)，靈敏度低。這樣，同時(shí)選AE和電機(jī)電流為監(jiān)測(cè)信號(hào)，就能利用這2個(gè)監(jiān)測(cè)量的各自長(zhǎng)處，互補(bǔ)不足，拓寬監(jiān)測(cè)范圍，提高監(jiān)測(cè)精度和判別成功率。 2100433B