專利名稱：用于檢查一個鋯合金部件的一個表面層的諸特性的方法和設(shè)備以及對檢查一個核反應(yīng)堆 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個為了檢查特別由用于一個核反應(yīng)堆的一個燃料組件的一個鋯合金部件上的氧化物組成的一個表面層的諸特性的方法。
用于一個核反應(yīng)堆的諸燃料組件和，特別是，用于一個水冷核反應(yīng)堆的諸燃料組件，在一個框架內(nèi)，包括以一個束的形式集合在一起并在束中相互平行的許多燃料棒。
諸燃料棒一般地由一個由一種是中子的一個弱吸收體的合金，例如鋯合金，制成的管子組成，在管子中堆積著許多核燃料的小球。在諸管子充滿核燃料的小球后，用焊在組成燃料棒的包殼的管子上的諸塞子封閉諸管子的兩端。燃料組件框架本身由許多部件組成，這些部件大部分由一種是中子的一個弱吸收體的合金，例如鋯合金制成。鋯和它諸種合金是鈍化的金屬，也就是說在這些金屬的表面上自然地形成由一層非常薄的氧化物組成的一個鈍化層，這個層保護(hù)金屬不受有腐蝕性的諸外部環(huán)境的侵害。
在諸燃料棒包殼或其它的由鋯合金制成的一個燃料組件的諸部件的情形，這個鈍化層特別地建立起這樣一些條件，在這些條件下當(dāng)核反應(yīng)堆正在工作時，在諸燃料組件的部件的金屬和用于冷卻反應(yīng)堆的極高溫和極高壓的水之間進(jìn)行離子和電子的交換。在使用期間這種鈍化層會發(fā)生變化。
氧化物層的關(guān)于保護(hù)的有效性的諸特性很大程度上依賴于在鋯合金部件表面上形成這種層的諸初始條件。
一般地，在由加壓水冷卻的一個核反應(yīng)堆內(nèi)部的腐蝕，在由優(yōu)質(zhì)金屬組成的一個鋯合金基片上，至少在腐蝕的諸第一階段，產(chǎn)生一個黑色，發(fā)亮，附著的和起保護(hù)作用的鋯氧化物層。與此相反，在一種沒有所需的諸冶金特性的金屬上或者在一個制造階段如焊接期間已經(jīng)受到污染的金屬上，腐蝕發(fā)展起來，形成一個白色的不附著的和不起保護(hù)作用的氧化鋯層。
所以，需要通過適當(dāng)?shù)闹T多試驗(yàn)，證明鋯合金基片在制造成燃料組件部件后顯示出滿意的諸性能。
在一根燃料棒的情形，其兩端由焊上的諸塞子封閉，需要證明焊接區(qū)域是否完全沒有污染物。為了做到這一點(diǎn)，在一個蒸壓器中對棒進(jìn)行一個360°的三天的腐蝕試驗(yàn)，然后檢查在塞子的諸焊接區(qū)域中鈍化表面層的出現(xiàn)。在一個滿意的無污染焊接的情形，鈍化氧化物層是均勻地黑色的。分布很廣的白色痕跡或一種淺灰色的彩色顯示出在焊接區(qū)域中存在污染。
這樣一種蒸壓器(autoclave)腐蝕試驗(yàn)從諸燃料棒的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的意義上來說有諸多缺點(diǎn)。
其原因是腐蝕試驗(yàn)的持續(xù)時間，考慮到蒸壓器升溫和降溫的時間是五天，在這段時間中生產(chǎn)燃料棒的單位連續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)而并沒有保證焊接的單位能適當(dāng)?shù)毓ぷ?。所以在發(fā)生污染的情形中不能立即采取需要的諸種改正措施。因此，這種缺點(diǎn)可能導(dǎo)致生產(chǎn)出許多要擦刮的產(chǎn)品或大量的不得不返修的產(chǎn)品。而且，只有在試驗(yàn)結(jié)束并經(jīng)過檢查之后才能將生產(chǎn)的諸部件放到流通中去，這就會影響制造的靈活性并增加在生產(chǎn)過程中的半制成品的數(shù)量。而且，腐蝕試驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn)，只能對每個工段的少量的樣品進(jìn)行。于是用于諸試驗(yàn)的諸蒸壓器被長期封存。
腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果是一種純粹地定性的一切都有或一無所有的結(jié)果，不可能用來確定生產(chǎn)的產(chǎn)品相對于所希望的標(biāo)準(zhǔn)的偏離。
最后，沒有一種可靠快速的方法可以用來證明焊接室被正確地清潔了以及包含在焊接室中的屏蔽氣體是正確的。
所以，本發(fā)明的目的是提出一種方法，用它來檢查一個用于一個核反應(yīng)堆的一個燃料組件的一個鋯合金部件的一個表面層，特別是由氧化物組成的表面層的諸特性，這種方法是快速的和非破壞性的，并能夠得到定量的結(jié)果而不需要使用復(fù)雜的試驗(yàn)設(shè)備；特別是，這種方法必然使檢查在一個鋯合金部件，例如，一個燃料棒包殼管上的一個氧化物層，并且特別是使相對于定義的判據(jù)定量地比較燃料棒塞子的焊接質(zhì)量水平成為可能。
為了這個目的，將一個正弦電壓V加到鋯合金部件上的一個測量區(qū)域，測量在測量區(qū)域中流動的一個正弦電流的強(qiáng)度I，確定在部件上的測量區(qū)域的阻抗Z＝V/I，并將得到的阻抗和至少一個參考值比較，以便從中推導(dǎo)出表面層的諸特性。
為了能清楚地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將通過非限定性的例子并參考所附諸圖，在檢查用于一個加壓水冷卻的核反應(yīng)堆的諸燃料棒塞子的焊接區(qū)域中進(jìn)行焊接工作后形成的表面鈍化層的情形中，描述根據(jù)本發(fā)明的方法的一個實(shí)施例。


圖1是一個用于檢查諸燃料棒的焊接端部區(qū)域的裝置的一個正視圖。
圖2是一個在圖1的方向2中的平面視圖。
圖3是檢查裝置的另一個可能的實(shí)施例的和圖1中的視圖相似的一個視圖。
圖1和圖2表示一個檢查設(shè)備，一般的用參考數(shù)字1表示，它使檢查諸燃料棒包殼2，2′上形成的氧化物層成為可能，這個氧化物層是在一個用來封閉燃料棒包殼2，2′的一端的塞子4，4′的焊接帶區(qū)域3，3′中。
在諸圖中所示的檢查裝置1使得或者同時檢查兩根棒2，2′或者以一種和由一根參照燃料棒或一個類似的部件組成的一根標(biāo)準(zhǔn)棒2′進(jìn)行比較的方式檢查一根燃料棒2成為可能。
諸燃料棒2，2′有一個管狀的鋯合金包殼，在它里面堆裝有燃料材料的許多小球。燃料棒的包殼在它的兩端被諸塞子(例如4)封閉，用力地將塞子塞入包殼的端部部分并用一條焊線，例如3將它固定。燃料棒的鋯合金包殼的外表面被保護(hù)包殼金屬的一個氧化物層復(fù)蓋。
在一個工作中的核反應(yīng)堆中，氧化物層的厚度增加，在燃料部件處于核反應(yīng)堆的主要部分中的諸初始階段期間厚薄的增加變得更加顯著，保護(hù)層有一個黑色發(fā)亮的氧化鋯層的形式，氧化鋯層在反應(yīng)堆工作期間以及在當(dāng)對諸燃料組件進(jìn)行處理和實(shí)施任何諸種修理時的關(guān)閉期間對包殼提供有效的保護(hù)。
在制造期間，如果包殼的外表面受到某些類型的損傷，例如，如果焊接諸塞子的工作導(dǎo)致包殼的外表面上存在諸種污染，則氧化物層傾向于變成多孔的或不連續(xù)的，從而棒不再能被滿意地保護(hù)了。
圖1和圖2所示的檢查裝置使得通過阻抗測量，確定在有塞子的棒的端部部分形成的氧化物層是否顯示出滿意的諸特性成為可能。特別是，檢查方法使得確定氧化物層是否完美地緊密和附著在包殼的外表面上，并確定它顯示出沒有由于例如在焊接區(qū)域3中的諸污染痕跡產(chǎn)生的缺陷成為可能。
檢查設(shè)備1包括一個試驗(yàn)容器5，它盛有一種電解液6，還有為了讓兩根燃料棒2，2′穿過并支持它們的端部部分的裝置。
為了讓諸燃料棒2，2′穿過的裝置由兩個連接管嘴5′，5″組成，它們固定在容器5的壁上，并通過壁上諸孔穿過容器的壁，在每一個連接管嘴內(nèi)部安裝一組密封圈和電絕緣裝置。
用來支持諸棒2，2′的諸端部的裝置7，7′固定在容器5的壁上，這個壁和固定連接管嘴5′，5″的壁相對，連接管嘴5′，5″分別位于諸支架7，7′的延長上。支架7，7′的每一個都包括一個用來插入一根燃料棒2或2′的一個塞子4或4′的端部部分的孔。
用來支持諸棒的諸裝置也包括在試驗(yàn)容器5外面的兩個滾筒8，8′，當(dāng)棒的包括塞子4或4′的端部部分進(jìn)入試驗(yàn)容器5時，一個燃料棒2或2′的包殼位于它們中的每一個上。
一根排水管9穿過試驗(yàn)容器5的底部，連接到一臺抽水泵10，抽水泵10的供水部分連到一根進(jìn)入一個電解液存儲箱12的上部的管子11。
一根輸送管13穿入電解液存儲箱12的底部，一個充水泵14插入輸送管13的中間。輸送管13進(jìn)入試驗(yàn)容器5的上面部分。一個存接液體的槽15位于試驗(yàn)容器5，存儲箱12和排水泵10的下面。
現(xiàn)在參照圖1和圖2給出對檢查一根燃料棒2的端部部分中氧化物層的工作的描述。
開始時，試驗(yàn)容器5沒有電解液，要檢查的一根棒2的端部通過連接管嘴5″進(jìn)入試驗(yàn)容器5，使得燃料棒2的塞子4進(jìn)入支架7里面的孔中。安裝在連接管嘴5″中的密封圈被棒2壓縮，從而使它們能相對棒2周圍的液體電解質(zhì)提供密封。此外，因此棒的包殼對容器是電絕緣的。棒2位于由電絕緣材料制成的一個支持滾筒8上。
類似地，要檢查的一根第二個燃料棒2通過連接管嘴5″，并進(jìn)入第二個支架7′里面的孔中。在試驗(yàn)容器5的外面，第二個燃料棒2′位于由電絕緣材料制成的一個第二個支持滾筒8′上。
第二根燃料棒2′可能是一根在檢查棒2的同時更被檢查的棒，或者是一根有一個其諸特性完全知道的層的標(biāo)準(zhǔn)棒。
充水泵14和輸送管13用來將試驗(yàn)容器5充滿液體電解質(zhì)6。然后將燃料棒2和2′的包殼浸入液體電解質(zhì)中直到長度d，于是燃料棒塞子的焊接區(qū)域3或3′浸入液體電解液6中。
檢查設(shè)備包括一個阻抗測量裝置16，它以由一個正弦電流源，測量及記錄由電流源釋放的正弦電壓的裝置和測量及記錄由電流源產(chǎn)生的電流強(qiáng)度的裝置組成的一個組件的形式出現(xiàn)。
將正弦交變電流源16的諸端部中的每一個連接到一條分開的導(dǎo)線17或17′上。將每條電導(dǎo)線17和17′的一端固定到一個起固定和接觸作用的夾子上，夾子可以和位于試驗(yàn)容器5外面的燃料棒2或2′的一部分接合并固定在它們的上面。
將導(dǎo)線17接到燃料棒2的包殼的外表面，而將導(dǎo)體17′接到燃料棒2′的包殼的外表面。
正弦電流源使得產(chǎn)生一個通過浸在電解液6中的燃料棒2的包殼的氧化物層，通過電解液6和通過燃料棒2′的包殼的氧化物層流動的電流成為可能。
通過組件16的一個測量和記錄裝置測量阻抗Z，它是電壓V和電流強(qiáng)度I的比。
這個阻抗代表燃料棒2和2′的諸包殼的諸端部部分的氧化的狀態(tài)。
正弦交變電流的電壓V有V＝V0cosωt的形式。這個電壓是由電流源固定的。
由組件16測量和記錄的電流強(qiáng)度I有I＝I0cos(ωt-φ)的形式。
為了避免電流對浸在電解液中的燃料棒的包殼有任何作用將設(shè)計(jì)的電壓V0限制在一個低值。例如，可將V0固定在一個10毫伏的值上。
組件16使確定和記錄復(fù)數(shù)阻抗Z*＝V/I＝(V0/I0)ejφ成為可能。
所以復(fù)數(shù)阻抗由阻抗的模V0/I0和相移φ表征的。
將從測得的電流強(qiáng)度得到的諸阻抗和參考值比較，使確定一根燃料棒和多根燃料棒的包殼上的氧化物層的狀態(tài)，特別是在棒的焊接區(qū)域3或3′中的氧化物層的狀態(tài)成為可能。
事實(shí)上，在鋯合金包殼的表面上的氧化物層以基本上是一個電容的方式起作用。所以阻抗測量使得確定氧化物層的電容量成為可能，這個電容量，到一級近似，可由公式|Z|＝1/ωC表示，其中Z是氧化物層的阻抗，C是氧化物層的電容量，ω＝2πf，f是電流的頻率。
電流源有一個可變的頻率，所以可以調(diào)整測量的諸條件。
如果阻抗很高，也就是說如果電容很小，因?yàn)橥ㄟ^層沒有什么離子和電子的交換，從此可以導(dǎo)出存在保護(hù)的氧化物層的結(jié)論。相反地，如果阻抗很低，所以電容很大，從此可以導(dǎo)出氧化物層的保護(hù)性能降低的結(jié)論。
然而，需要確定最能代表氧化物層的非純電容型的等效電路。
通過將由一個測得的電容量求得的諸阻抗值和諸參考值比較，可以直接作為控制組件16的輸出，得到保護(hù)的氧化物層關(guān)于它的均勻性和它的附著性的諸特性的評估。
特別是，可以以精確的方式確定是否已經(jīng)很滿意地實(shí)施了諸塞子的焊接并且特別是確定它是否還沒有被污染。
圖3表示根據(jù)本發(fā)明的測量設(shè)備的另一個可能的實(shí)施例。
在圖1和圖3中相對應(yīng)的諸部件有相同的參照數(shù)字。圖3所示的測量設(shè)備能夠以和圖1及圖2中所示的諸棒相同的方式，對在進(jìn)入試驗(yàn)容器5并被支持在它里面的單根燃料棒2進(jìn)行一個阻抗測量。
通過容器5的上面部分引入的一個電極18浸沒在容器中包含的液體電解質(zhì)6中。通過一根電導(dǎo)線17a將電極18接到一個阻抗測量裝置16′的一個正弦交變電流源的端部中的一個，阻抗測量裝置16′是以組件的形式制成的，它包括交變電流源和測量及記錄由電流源釋放的正弦電壓和由電源產(chǎn)生的電流的強(qiáng)度。交變電流源的第二個端部通過一個電導(dǎo)線17b和一個夾子17c與位在試驗(yàn)容器5外面的棒2的部分包殼連接。如上所述進(jìn)行阻抗測量，并和以前相同，使檢查棒的表面層的諸特性成為可能。電極18源釋放的電流通過電解液流動，到達(dá)棒的端部，然后通過棒2的端部區(qū)域。
根據(jù)圖3中的另一個可能的實(shí)施例的裝置使得個別地檢查諸燃料棒，特別是檢查引入試驗(yàn)容器5的諸棒中的每一個的塞子的焊接區(qū)域成為可能。
十分明顯可以用一個有若干個位置的試驗(yàn)容器，以便安置若干根燃料棒，并可連續(xù)地對它們進(jìn)行檢查；為了做到這一點(diǎn)，全部要求是連續(xù)地移動夾子17c到能夾住要被檢查的棒的位置。電極由能抵抗電解液6腐蝕的材料制成。
根據(jù)本發(fā)明的方法能夠進(jìn)行一個迅速的測量(在數(shù)分鐘內(nèi))，因?yàn)槲覀內(nèi)绱诉x擇電解液的化學(xué)成分和濃度以及所用的測量電壓，使其不能損傷氧化物層或鋯合金基片，所以不會毀壞或損傷燃料棒的包殼。最后，測量是非常靈敏的，所以可以檢查出根據(jù)以前技術(shù)由標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法不能檢查出來的污染程度。
進(jìn)一步，檢查導(dǎo)致阻抗的一次定量測量，它能使由于焊接工作產(chǎn)生的氧化物層的各種不同的程度的污染被精確地辨別出來。
本測量方法也使得獲取關(guān)于氧化物層結(jié)構(gòu)的信息，特別是，知道氧化物層是多孔的還是緊密的成為可能。由于測量的速度很快，如果檢查顯示存在一個從選擇的諸參考值的偏移，就能夠立即作出反應(yīng)。因?yàn)闄z查是非破壞性的，所以能夠?qū)χ圃焐烫峁┑闹T產(chǎn)品進(jìn)行檢查，而不是對通過抽樣選出的諸部件進(jìn)行檢查。
最后，因?yàn)樗泻芨叩撵`敏度，根據(jù)本發(fā)明的檢查方法使得預(yù)測燃料棒生產(chǎn)線，特別是塞子焊接裝置的工作可能發(fā)什么樣的變化成為可能。
本發(fā)明并不限于剛才描述過的實(shí)施例。
這樣，可以用一個沒有用來讓諸燃料棒穿過的諸連接管嘴的試驗(yàn)容器；在這種情形，諸燃料棒通過容器的打開的頂部進(jìn)入容器，并浸入液體電解質(zhì)中到低于容器中的液體電解質(zhì)的上水平面的某個長度。
可以用一種和已經(jīng)描述過的方法不同的或者用或者不用一種電解質(zhì)的方法對一根燃料棒的表面氧化物層進(jìn)行諸阻抗測量。諸測量可以對單根燃料棒或若干根燃料棒進(jìn)行。
也可將根據(jù)本發(fā)明的方法用于由一種鈍性的合金，如一種鋯合金制成的不同于一根燃料棒的燃料組件的諸部件。也可將根據(jù)本發(fā)明的方法用于，例如，諸導(dǎo)引管或做成燃料組件的框架的諸柵，它們一般地是由鋯合金制成的，用一個適當(dāng)?shù)脑O(shè)備進(jìn)行檢查。
權(quán)利要求
1.檢查用于一個核反應(yīng)堆的一個燃料組件的一個鋯合金部件(2，2′)的一個表面層，特別是由氧化物組成的表面層的諸特性的方法，其特征在于將一個正弦電壓V加到鋯合金部件上的一個測量區(qū)域上，在于測量在測量區(qū)域中流動的一個正弦電流的強(qiáng)度I，其特征還在于確定在鋯合金部件(2，2′)上的測量區(qū)域的阻抗Z＝V/I和將得到的阻抗與至少一個參考值比較以便從中推導(dǎo)出表面層的諸特性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于阻抗Z的絕對值基本上等于1/ωC，其中C是表面氧化物層的電容量和ω＝2πf，f是測量電流的頻率，其特征還在于如果C有一個低值，則確定存在一個緊密的起保護(hù)作用的層，如果C有一個高值，則確定存在一個不起保護(hù)作用的多孔的層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2中任何一個的方法，其特征在于通過一種電解液(6)將測量電流加到鋯合金部件(2，2′)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于測量電流在兩個鋯合金部件(2，2′)之間通過，鋯合金部件的一個端部部分浸在電解液(6)中，所以電流通過一個第一個鋯合金部件(2)流到它的端部(4)，然后通過電解液流到第二個鋯合金部件(2′)的端部部分(4′)，然后通過第二個鋯合金部件(2′)的部分流動。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于測量電流在浸在電解液(6)中的一個電極(18)和其一個端部部分浸在電解液(6)中的一個鋯合金部件(2)之間流過，所以電流通過電極(18)，通過電解液(6)流到鋯合金部件(2)的端部部分，然后通過鋯合金部件(2)的部分流動。
6.一個為了檢查用于一個核反應(yīng)堆的一個燃料組件的一個鋯合金部件(2，2′)的一個表面層的諸特性的設(shè)備，其特征在于它包括一個試驗(yàn)容器(5)，為了保證至少鋯合金部件(2，2′)的一部分浸入電解液(6)中向容器(5)輸送液體電解質(zhì)(6)的裝置，一個供電和阻抗測量組件(16)以及在組件(16)和鋯合金部件(2，2′)之間實(shí)現(xiàn)電連接(17，17′)的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其特征在于試驗(yàn)容器(5)包括為了將兩個鋯合金部件(2，2′)支撐在電解液(6)中的浸入位置中的裝置(5′，5″，7，7′)和在組件(16)及鋯合金部件(2，2′)中的每一個之間實(shí)現(xiàn)電連接(17，17′)的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其特征在于它包括浸入電解液(6)中的一個電極(18)以及在一方面的組件(16)和另一方面的電極(18)及鋯合金部件(2)之間實(shí)現(xiàn)電連接(17a，17b，17c)的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求6到8中的任何一個的設(shè)備，其特征在于試驗(yàn)容器(5)包括至少一個有諸密封圈和電絕緣材料的連接管嘴(5′，5″)，為讓至少一個鋯合金部件(2，2′)穿入容器(5)中，以便將它放置在一個允許一個阻抗測量的結(jié)構(gòu)中，其中鋯合金部件有一部分在試驗(yàn)容器外面，這部分和試驗(yàn)容器(5)外面的供電和阻抗測量組件(16)電連接。
10.用一個根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任何一個的方法，或用一個根據(jù)權(quán)利要求6到9中的任何一個的設(shè)備，檢查在用于一個核反應(yīng)堆的一根燃料棒(2，2′)的包殼的外表面上形成的一個氧化物層。
全文摘要
一個正弦電壓V加到鋯合金部件上的一個測量區(qū)域上,測量在測量區(qū)域中流動的一個正弦電流的強(qiáng)度I,其特征還在于確定在鋯合金部件(2,2′)上的測量區(qū)域的阻抗Z=V/I和將得到的阻抗與至少一個參考值比較測試裝置包括一個單元(5),該單元(5)包括電解液(6),兩個鋯合金部件(2,2′)和電源與阻抗測量組件(16)浸在電解液(6)中。可以用浸在電解液(6)中的一個電極在一個部件(2)上進(jìn)行測量。
文檔編號G01N17/00GK1198212SQ9619730
公開日1998年11月4日 申請日期1996年9月17日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月27日
發(fā)明者多米尼克·杜托, 伊薇斯·范杰斯, 阿蘭·弗里奇特, 米歇爾·拉迪特 申請人:弗蘭克巴爾日燃料制造公司