专利名称：用于检查一个锆合金部件的一个表面层的诸特性的方法和设备以及对检查一个核反应堆 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个为了检查特别由用于一个核反应堆的一个燃料组件的一个锆合金部件上的氧化物组成的一个表面层的诸特性的方法。
用于一个核反应堆的诸燃料组件和，特别是，用于一个水冷核反应堆的诸燃料组件，在一个框架内，包括以一个束的形式集合在一起并在束中相互平行的许多燃料棒。
诸燃料棒一般地由一个由一种是中子的一个弱吸收体的合金，例如锆合金，制成的管子组成，在管子中堆积着许多核燃料的小球。在诸管子充满核燃料的小球后，用焊在组成燃料棒的包壳的管子上的诸塞子封闭诸管子的两端。燃料组件框架本身由许多部件组成，这些部件大部分由一种是中子的一个弱吸收体的合金，例如锆合金制成。锆和它诸种合金是钝化的金属，也就是说在这些金属的表面上自然地形成由一层非常薄的氧化物组成的一个钝化层，这个层保护金属不受有腐蚀性的诸外部环境的侵害。
在诸燃料棒包壳或其它的由锆合金制成的一个燃料组件的诸部件的情形，这个钝化层特别地建立起这样一些条件，在这些条件下当核反应堆正在工作时，在诸燃料组件的部件的金属和用于冷却反应堆的极高温和极高压的水之间进行离子和电子的交换。在使用期间这种钝化层会发生变化。
氧化物层的关于保护的有效性的诸特性很大程度上依赖于在锆合金部件表面上形成这种层的诸初始条件。
一般地，在由加压水冷却的一个核反应堆内部的腐蚀，在由优质金属组成的一个锆合金基片上，至少在腐蚀的诸第一阶段，产生一个黑色，发亮，附着的和起保护作用的锆氧化物层。与此相反，在一种没有所需的诸冶金特性的金属上或者在一个制造阶段如焊接期间已经受到污染的金属上，腐蚀发展起来，形成一个白色的不附着的和不起保护作用的氧化锆层。
所以，需要通过适当的诸多试验，证明锆合金基片在制造成燃料组件部件后显示出满意的诸性能。
在一根燃料棒的情形，其两端由焊上的诸塞子封闭，需要证明焊接区域是否完全没有污染物。为了做到这一点，在一个蒸压器中对棒进行一个360°的三天的腐蚀试验，然后检查在塞子的诸焊接区域中钝化表面层的出现。在一个满意的无污染焊接的情形，钝化氧化物层是均匀地黑色的。分布很广的白色痕迹或一种浅灰色的彩色显示出在焊接区域中存在污染。
这样一种蒸压器(autoclave)腐蚀试验从诸燃料棒的工业规模生产的意义上来说有诸多缺点。
其原因是腐蚀试验的持续时间，考虑到蒸压器升温和降温的时间是五天，在这段时间中生产燃料棒的单位连续进行生产而并没有保证焊接的单位能适当地工作。所以在发生污染的情形中不能立即采取需要的诸种改正措施。因此，这种缺点可能导致生产出许多要擦刮的产品或大量的不得不返修的产品。而且，只有在试验结束并经过检查之后才能将生产的诸部件放到流通中去，这就会影响制造的灵活性并增加在生产过程中的半制成品的数量。而且，腐蚀试验是一种破坏性试验，只能对每个工段的少量的样品进行。于是用于诸试验的诸蒸压器被长期封存。
腐蚀试验的结果是一种纯粹地定性的一切都有或一无所有的结果，不可能用来确定生产的产品相对于所希望的标准的偏离。
最后，没有一种可靠快速的方法可以用来证明焊接室被正确地清洁了以及包含在焊接室中的屏蔽气体是正确的。
所以，本发明的目的是提出一种方法，用它来检查一个用于一个核反应堆的一个燃料组件的一个锆合金部件的一个表面层，特别是由氧化物组成的表面层的诸特性，这种方法是快速的和非破坏性的，并能够得到定量的结果而不需要使用复杂的试验设备；特别是，这种方法必然使检查在一个锆合金部件，例如，一个燃料棒包壳管上的一个氧化物层，并且特别是使相对于定义的判据定量地比较燃料棒塞子的焊接质量水平成为可能。
为了这个目的，将一个正弦电压V加到锆合金部件上的一个测量区域，测量在测量区域中流动的一个正弦电流的强度I，确定在部件上的测量区域的阻抗Z＝V/I，并将得到的阻抗和至少一个参考值比较，以便从中推导出表面层的诸特性。
为了能清楚地理解本发明，现在将通过非限定性的例子并参考所附诸图，在检查用于一个加压水冷却的核反应堆的诸燃料棒塞子的焊接区域中进行焊接工作后形成的表面钝化层的情形中，描述根据本发明的方法的一个实施例。
图1是一个用于检查诸燃料棒的焊接端部区域的装置的一个正视图。
图2是一个在图1的方向2中的平面视图。
图3是检查装置的另一个可能的实施例的和图1中的视图相似的一个视图。
图1和图2表示一个检查设备，一般的用参考数字1表示，它使检查诸燃料棒包壳2，2′上形成的氧化物层成为可能，这个氧化物层是在一个用来封闭燃料棒包壳2，2′的一端的塞子4，4′的焊接带区域3，3′中。
在诸图中所示的检查装置1使得或者同时检查两根棒2，2′或者以一种和由一根参照燃料棒或一个类似的部件组成的一根标准棒2′进行比较的方式检查一根燃料棒2成为可能。
诸燃料棒2，2′有一个管状的锆合金包壳，在它里面堆装有燃料材料的许多小球。燃料棒的包壳在它的两端被诸塞子(例如4)封闭，用力地将塞子塞入包壳的端部部分并用一条焊线，例如3将它固定。燃料棒的锆合金包壳的外表面被保护包壳金属的一个氧化物层复盖。
在一个工作中的核反应堆中，氧化物层的厚度增加，在燃料部件处于核反应堆的主要部分中的诸初始阶段期间厚薄的增加变得更加显著，保护层有一个黑色发亮的氧化锆层的形式，氧化锆层在反应堆工作期间以及在当对诸燃料组件进行处理和实施任何诸种修理时的关闭期间对包壳提供有效的保护。
在制造期间，如果包壳的外表面受到某些类型的损伤，例如，如果焊接诸塞子的工作导致包壳的外表面上存在诸种污染，则氧化物层倾向于变成多孔的或不连续的，从而棒不再能被满意地保护了。
图1和图2所示的检查装置使得通过阻抗测量，确定在有塞子的棒的端部部分形成的氧化物层是否显示出满意的诸特性成为可能。特别是，检查方法使得确定氧化物层是否完美地紧密和附着在包壳的外表面上，并确定它显示出没有由于例如在焊接区域3中的诸污染痕迹产生的缺陷成为可能。
检查设备1包括一个试验容器5，它盛有一种电解液6，还有为了让两根燃料棒2，2′穿过并支持它们的端部部分的装置。
为了让诸燃料棒2，2′穿过的装置由两个连接管嘴5′，5″组成，它们固定在容器5的壁上，并通过壁上诸孔穿过容器的壁，在每一个连接管嘴内部安装一组密封圈和电绝缘装置。
用来支持诸棒2，2′的诸端部的装置7，7′固定在容器5的壁上，这个壁和固定连接管嘴5′，5″的壁相对，连接管嘴5′，5″分别位于诸支架7，7′的延长上。支架7，7′的每一个都包括一个用来插入一根燃料棒2或2′的一个塞子4或4′的端部部分的孔。
用来支持诸棒的诸装置也包括在试验容器5外面的两个滚筒8，8′，当棒的包括塞子4或4′的端部部分进入试验容器5时，一个燃料棒2或2′的包壳位于它们中的每一个上。
一根排水管9穿过试验容器5的底部，连接到一台抽水泵10，抽水泵10的供水部分连到一根进入一个电解液存储箱12的上部的管子11。
一根输送管13穿入电解液存储箱12的底部，一个充水泵14插入输送管13的中间。输送管13进入试验容器5的上面部分。一个存接液体的槽15位于试验容器5，存储箱12和排水泵10的下面。
现在参照图1和图2给出对检查一根燃料棒2的端部部分中氧化物层的工作的描述。
开始时，试验容器5没有电解液，要检查的一根棒2的端部通过连接管嘴5″进入试验容器5，使得燃料棒2的塞子4进入支架7里面的孔中。安装在连接管嘴5″中的密封圈被棒2压缩，从而使它们能相对棒2周围的液体电解质提供密封。此外，因此棒的包壳对容器是电绝缘的。棒2位于由电绝缘材料制成的一个支持滚筒8上。
类似地，要检查的一根第二个燃料棒2通过连接管嘴5″，并进入第二个支架7′里面的孔中。在试验容器5的外面，第二个燃料棒2′位于由电绝缘材料制成的一个第二个支持滚筒8′上。
第二根燃料棒2′可能是一根在检查棒2的同时更被检查的棒，或者是一根有一个其诸特性完全知道的层的标准棒。
充水泵14和输送管13用来将试验容器5充满液体电解质6。然后将燃料棒2和2′的包壳浸入液体电解质中直到长度d，于是燃料棒塞子的焊接区域3或3′浸入液体电解液6中。
检查设备包括一个阻抗测量装置16，它以由一个正弦电流源，测量及记录由电流源释放的正弦电压的装置和测量及记录由电流源产生的电流强度的装置组成的一个组件的形式出现。
将正弦交变电流源16的诸端部中的每一个连接到一条分开的导线17或17′上。将每条电导线17和17′的一端固定到一个起固定和接触作用的夹子上，夹子可以和位于试验容器5外面的燃料棒2或2′的一部分接合并固定在它们的上面。
将导线17接到燃料棒2的包壳的外表面，而将导体17′接到燃料棒2′的包壳的外表面。
正弦电流源使得产生一个通过浸在电解液6中的燃料棒2的包壳的氧化物层，通过电解液6和通过燃料棒2′的包壳的氧化物层流动的电流成为可能。
通过组件16的一个测量和记录装置测量阻抗Z，它是电压V和电流强度I的比。
这个阻抗代表燃料棒2和2′的诸包壳的诸端部部分的氧化的状态。
正弦交变电流的电压V有V＝V0cosωt的形式。这个电压是由电流源固定的。
由组件16测量和记录的电流强度I有I＝I0cos(ωt-φ)的形式。
为了避免电流对浸在电解液中的燃料棒的包壳有任何作用将设计的电压V0限制在一个低值。例如，可将V0固定在一个10毫伏的值上。
组件16使确定和记录复数阻抗Z*＝V/I＝(V0/I0)ejφ成为可能。
所以复数阻抗由阻抗的模V0/I0和相移φ表征的。
将从测得的电流强度得到的诸阻抗和参考值比较，使确定一根燃料棒和多根燃料棒的包壳上的氧化物层的状态，特别是在棒的焊接区域3或3′中的氧化物层的状态成为可能。
事实上，在锆合金包壳的表面上的氧化物层以基本上是一个电容的方式起作用。所以阻抗测量使得确定氧化物层的电容量成为可能，这个电容量，到一级近似，可由公式|Z|＝1/ωC表示，其中Z是氧化物层的阻抗，C是氧化物层的电容量，ω＝2πf，f是电流的频率。
电流源有一个可变的频率，所以可以调整测量的诸条件。
如果阻抗很高，也就是说如果电容很小，因为通过层没有什么离子和电子的交换，从此可以导出存在保护的氧化物层的结论。相反地，如果阻抗很低，所以电容很大，从此可以导出氧化物层的保护性能降低的结论。
然而，需要确定最能代表氧化物层的非纯电容型的等效电路。
通过将由一个测得的电容量求得的诸阻抗值和诸参考值比较，可以直接作为控制组件16的输出，得到保护的氧化物层关于它的均匀性和它的附着性的诸特性的评估。
特别是，可以以精确的方式确定是否已经很满意地实施了诸塞子的焊接并且特别是确定它是否还没有被污染。
图3表示根据本发明的测量设备的另一个可能的实施例。
在图1和图3中相对应的诸部件有相同的参照数字。图3所示的测量设备能够以和图1及图2中所示的诸棒相同的方式，对在进入试验容器5并被支持在它里面的单根燃料棒2进行一个阻抗测量。
通过容器5的上面部分引入的一个电极18浸没在容器中包含的液体电解质6中。通过一根电导线17a将电极18接到一个阻抗测量装置16′的一个正弦交变电流源的端部中的一个，阻抗测量装置16′是以组件的形式制成的，它包括交变电流源和测量及记录由电流源释放的正弦电压和由电源产生的电流的强度。交变电流源的第二个端部通过一个电导线17b和一个夹子17c与位在试验容器5外面的棒2的部分包壳连接。如上所述进行阻抗测量，并和以前相同，使检查棒的表面层的诸特性成为可能。电极18源释放的电流通过电解液流动，到达棒的端部，然后通过棒2的端部区域。
根据图3中的另一个可能的实施例的装置使得个别地检查诸燃料棒，特别是检查引入试验容器5的诸棒中的每一个的塞子的焊接区域成为可能。
十分明显可以用一个有若干个位置的试验容器，以便安置若干根燃料棒，并可连续地对它们进行检查；为了做到这一点，全部要求是连续地移动夹子17c到能夹住要被检查的棒的位置。电极由能抵抗电解液6腐蚀的材料制成。
根据本发明的方法能够进行一个迅速的测量(在数分钟内)，因为我们如此选择电解液的化学成分和浓度以及所用的测量电压，使其不能损伤氧化物层或锆合金基片，所以不会毁坏或损伤燃料棒的包壳。最后，测量是非常灵敏的，所以可以检查出根据以前技术由标准试验方法不能检查出来的污染程度。
进一步，检查导致阻抗的一次定量测量，它能使由于焊接工作产生的氧化物层的各种不同的程度的污染被精确地辨别出来。
本测量方法也使得获取关于氧化物层结构的信息，特别是，知道氧化物层是多孔的还是紧密的成为可能。由于测量的速度很快，如果检查显示存在一个从选择的诸参考值的偏移，就能够立即作出反应。因为检查是非破坏性的，所以能够对制造商提供的诸产品进行检查，而不是对通过抽样选出的诸部件进行检查。
最后，因为它有很高的灵敏度，根据本发明的检查方法使得预测燃料棒生产线，特别是塞子焊接装置的工作可能发什么样的变化成为可能。
本发明并不限于刚才描述过的实施例。
这样，可以用一个没有用来让诸燃料棒穿过的诸连接管嘴的试验容器；在这种情形，诸燃料棒通过容器的打开的顶部进入容器，并浸入液体电解质中到低于容器中的液体电解质的上水平面的某个长度。
可以用一种和已经描述过的方法不同的或者用或者不用一种电解质的方法对一根燃料棒的表面氧化物层进行诸阻抗测量。诸测量可以对单根燃料棒或若干根燃料棒进行。
也可将根据本发明的方法用于由一种钝性的合金，如一种锆合金制成的不同于一根燃料棒的燃料组件的诸部件。也可将根据本发明的方法用于，例如，诸导引管或做成燃料组件的框架的诸栅，它们一般地是由锆合金制成的，用一个适当的设备进行检查。
权利要求
1.检查用于一个核反应堆的一个燃料组件的一个锆合金部件(2，2′)的一个表面层，特别是由氧化物组成的表面层的诸特性的方法，其特征在于将一个正弦电压V加到锆合金部件上的一个测量区域上，在于测量在测量区域中流动的一个正弦电流的强度I，其特征还在于确定在锆合金部件(2，2′)上的测量区域的阻抗Z＝V/I和将得到的阻抗与至少一个参考值比较以便从中推导出表面层的诸特性。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于阻抗Z的绝对值基本上等于1/ωC，其中C是表面氧化物层的电容量和ω＝2πf，f是测量电流的频率，其特征还在于如果C有一个低值，则确定存在一个紧密的起保护作用的层，如果C有一个高值，则确定存在一个不起保护作用的多孔的层。
3.根据权利要求1和2中任何一个的方法，其特征在于通过一种电解液(6)将测量电流加到锆合金部件(2，2′)上。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于测量电流在两个锆合金部件(2，2′)之间通过，锆合金部件的一个端部部分浸在电解液(6)中，所以电流通过一个第一个锆合金部件(2)流到它的端部(4)，然后通过电解液流到第二个锆合金部件(2′)的端部部分(4′)，然后通过第二个锆合金部件(2′)的部分流动。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于测量电流在浸在电解液(6)中的一个电极(18)和其一个端部部分浸在电解液(6)中的一个锆合金部件(2)之间流过，所以电流通过电极(18)，通过电解液(6)流到锆合金部件(2)的端部部分，然后通过锆合金部件(2)的部分流动。
6.一个为了检查用于一个核反应堆的一个燃料组件的一个锆合金部件(2，2′)的一个表面层的诸特性的设备，其特征在于它包括一个试验容器(5)，为了保证至少锆合金部件(2，2′)的一部分浸入电解液(6)中向容器(5)输送液体电解质(6)的装置，一个供电和阻抗测量组件(16)以及在组件(16)和锆合金部件(2，2′)之间实现电连接(17，17′)的装置。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于试验容器(5)包括为了将两个锆合金部件(2，2′)支撑在电解液(6)中的浸入位置中的装置(5′，5″，7，7′)和在组件(16)及锆合金部件(2，2′)中的每一个之间实现电连接(17，17′)的装置。
8.根据权利要求6的设备，其特征在于它包括浸入电解液(6)中的一个电极(18)以及在一方面的组件(16)和另一方面的电极(18)及锆合金部件(2)之间实现电连接(17a，17b，17c)的装置。
9.根据权利要求6到8中的任何一个的设备，其特征在于试验容器(5)包括至少一个有诸密封圈和电绝缘材料的连接管嘴(5′，5″)，为让至少一个锆合金部件(2，2′)穿入容器(5)中，以便将它放置在一个允许一个阻抗测量的结构中，其中锆合金部件有一部分在试验容器外面，这部分和试验容器(5)外面的供电和阻抗测量组件(16)电连接。
10.用一个根据权利要求1到5中的任何一个的方法，或用一个根据权利要求6到9中的任何一个的设备，检查在用于一个核反应堆的一根燃料棒(2，2′)的包壳的外表面上形成的一个氧化物层。
全文摘要
一个正弦电压V加到锆合金部件上的一个测量区域上,测量在测量区域中流动的一个正弦电流的强度I,其特征还在于确定在锆合金部件(2,2′)上的测量区域的阻抗Z=V/I和将得到的阻抗与至少一个参考值比较测试装置包括一个单元(5),该单元(5)包括电解液(6),两个锆合金部件(2,2′)和电源与阻抗测量组件(16)浸在电解液(6)中。可以用浸在电解液(6)中的一个电极在一个部件(2)上进行测量。
文档编号G01N17/00GK1198212SQ9619730
公开日1998年11月4日 申请日期1996年9月17日 优先权日1995年9月27日
发明者多米尼克·杜托, 伊薇斯·范杰斯, 阿兰·弗里奇特, 米歇尔·拉迪特 申请人:弗兰克巴尔日燃料制造公司