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        反應(yīng)堆乏燃料棒的X射線數(shù)字成像檢測工藝及其應(yīng)用

        2020-10-17 06:04:14王華才梁政強(qiáng)
        無損檢測 2020年10期
        關(guān)鍵詞:檢測

        湯 琪,王華才,梁政強(qiáng)

        (中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413)

        核燃料棒是核電站反應(yīng)堆的核心部件,其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示,從反應(yīng)堆卸出的乏燃料經(jīng)過高溫、高壓、中子輻照以及水、蒸汽腐蝕的作用,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料性能發(fā)生了很大變化。由于各種原因,針對乏燃料棒的X射線檢查目前還不能在反應(yīng)堆內(nèi)或者乏燃料儲存水池邊開展,只能將其從組件中取出后再運(yùn)輸?shù)綄iT的輻照材料檢驗(yàn)熱室進(jìn)行檢測。

        圖1 核反應(yīng)堆乏燃料棒一般結(jié)構(gòu)示意

        輻照后的燃料棒具有很強(qiáng)的放射性,膠片成像存在提前曝光以及頻繁更換膠片會對人員造成輻射等缺點(diǎn),而數(shù)字成像已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用[1],具有許多優(yōu)勢,可以避免膠片成像的上述缺點(diǎn)。筆者將X射線數(shù)字成像技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)放射性燃料棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測中,建立了成像裝置,并通過分析確定了工藝參數(shù),利用缺陷模擬件校驗(yàn)后,可將其用于實(shí)際樣品檢驗(yàn)中。

        1 檢測原理

        需要檢測的商用反應(yīng)堆燃料棒一般長度約為3 m,外包殼為鋯合金,直徑約為10 mm,內(nèi)部UO2芯塊外徑約為8 mm,需要通過X射線成像獲得芯塊輻照后內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化等信息。燃料棒在X射線穿透方向上的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 燃料棒在X射線穿透方向上的結(jié)構(gòu)示意

        X射線數(shù)字成像技術(shù)的基本原理與膠片照相法的基本相同,都是利用射線在被透照物體中的衰減或透射;而兩者最大不同之處在于記錄介質(zhì)及其對影像的處理方法。

        燃料棒X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)利用線陣探測器接收透射射線,通過掃描將X 射線的一行光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理,并在圖像顯示器上顯示出來。隨著燃料棒和探測器之間的相對運(yùn)動(dòng),線陣探測器一行一行掃描得到的數(shù)據(jù)就形成了一幅動(dòng)態(tài)的檢測圖像,從而完成整根燃料棒的成像過程。

        2 檢測裝置與工藝參數(shù)

        2.1 檢測裝置

        輻照后的燃料棒具有很強(qiáng)的放射性,需要在專門的場所進(jìn)行檢測,反應(yīng)堆燃料棒的X射線數(shù)字成像檢測裝置如圖3所示,包括熱室、移動(dòng)小車、臺架、射線機(jī)、線陣探測器以及控制系統(tǒng)及成像軟件等。

        圖3 反應(yīng)堆燃料棒的X射線數(shù)字成像檢測裝置示意

        檢測前,燃料棒被放進(jìn)熱室并裝夾在移動(dòng)小車上。成像時(shí),熱室中的移動(dòng)小車帶動(dòng)燃料棒在臺架上左右移動(dòng),射線機(jī)產(chǎn)生的X射線經(jīng)過準(zhǔn)直照射燃料棒,線陣探測器接收透過的射線并轉(zhuǎn)化成圖像信息在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示,移動(dòng)小車上配有旋轉(zhuǎn)卡盤,可以帶動(dòng)燃料棒旋轉(zhuǎn)至任意角度。檢測過程中,可通過調(diào)節(jié)小車的移動(dòng)速度、焦距(射線機(jī)升降)、透照電壓和電流等參數(shù)獲得高質(zhì)量的圖像。

        2.2 輻射屏蔽

        作為X射線數(shù)字成像的關(guān)鍵部件,其系統(tǒng)中使用的線陣探測器為德國NTB公司生產(chǎn)的SEZ W3-80線陣探測器,其采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù),具有高靈敏度和分辨率[2],但同時(shí)也是整個(gè)試驗(yàn)裝置中最易受燃料棒輻射影響和破壞的部件。

        相較于射線機(jī)產(chǎn)生的X射線,輻照后的燃料棒發(fā)出的γ射線能量更高。一方面會對成像圖像產(chǎn)生干擾;另一方面,較強(qiáng)的γ射線會使探測器電子器件受輻照損傷而失效。根據(jù)線陣探測器的結(jié)構(gòu)(見圖4),其上部已經(jīng)由兩塊厚度約為20 mm的鎢合金塊覆蓋,如果只留約2 mm的縫隙接收射線,則既可以減少成像區(qū)域外的射線對探測器和圖像的影響,提高成像質(zhì)量,又可以保護(hù)電子元器件免受輻照損傷;而對于探測器四周屏蔽薄弱的部分,則需要增加足夠厚度的鉛進(jìn)行防護(hù)。

        圖4 線陣探測器外觀

        2.3 工藝參數(shù)分析

        X射線數(shù)字成像系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)如表1所示,實(shí)際檢測過程中需要根據(jù)燃料棒的特點(diǎn)對參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        表1 X射線數(shù)字成像檢測裝置中的相關(guān)參數(shù)

        2.3.1 透照電壓

        由于組成燃料棒的各種結(jié)構(gòu)密度相差較大,所以對X射線的吸收系數(shù)相差較大,實(shí)際檢測時(shí),一般根據(jù)所要觀察對象的不同選擇透照電壓。當(dāng)觀察包殼管、包殼管與芯塊之間的間隙、芯塊與芯塊之間的間隙以及彈簧是否壓緊時(shí),選擇200 kV左右的較低透照電壓;當(dāng)觀察燃料芯塊開裂情況時(shí),選擇400 kV左右的較高透照電壓。

        2.3.2 幾何不清晰度

        使用X射線數(shù)字成像裝置,系統(tǒng)的固有不清晰度主要由線陣成像器的像素尺寸決定;而焦點(diǎn)和焦距的選擇則決定了系統(tǒng)的幾何不清晰度,幾何不清晰度Ug的計(jì)算方法如式(1)所示,在一定條件下選擇小的焦點(diǎn)尺寸,并適當(dāng)增加焦距可減小幾何不清晰度。

        Ug=df×b∕F

        (1)

        系統(tǒng)使用的射線機(jī)焦點(diǎn)最小尺寸df為0.4 mm,焦點(diǎn)至工件表面的距離F通常選擇為600 mm。由于探測器的像元尺寸較小,為了獲得較好的幾何不清晰度,所以選擇相對較小的放大倍數(shù)1.2,此時(shí)b為120 mm的情況下,幾何不清晰度Ug的理論值為0.08 mm,滿足燃料棒X射線檢查的要求。

        2.3.3 運(yùn)動(dòng)速度

        通過調(diào)節(jié)臺架的運(yùn)行速度以及射線機(jī)電流的大小,可改變?nèi)剂习舻钠毓饬?。同時(shí),由于探測器必須有相對運(yùn)動(dòng)才能成像,在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下會產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)不清晰度,一般運(yùn)動(dòng)速度越大,運(yùn)動(dòng)不清晰度就越大,得到的圖像越不清晰[3],因此成像時(shí)需要將燃料棒保持在相對較慢的移動(dòng)速度下,選擇的燃料棒運(yùn)動(dòng)速度為3 mm·s-1。

        2.3.4 透照次數(shù)

        為了不遺漏燃料棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息,在每個(gè)電壓下,需要依次在360°范圍內(nèi)至少轉(zhuǎn)動(dòng)燃料棒3次進(jìn)行成像,每次轉(zhuǎn)動(dòng)120°。

        3 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)用實(shí)例

        3.1 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

        為了確定系統(tǒng)所獲得的圖像對于缺陷所能達(dá)到的分辨能力以及驗(yàn)證工藝參數(shù)的合理性,設(shè)計(jì)并加工了燃料棒人工缺陷試件(見圖5),并在其上預(yù)制一定尺寸的人工缺陷。試件包殼管采用原始的鋯合金材料,端塞和彈簧材料為不銹鋼,隔熱塊材料為Al2O3,人工缺陷芯塊材料采用與UO2理論密度相近的鉬合金,芯塊與芯塊之間的間隙通過填充與芯塊等徑且不同厚度(0.1,0.2,0.3,0.4 mm)的有機(jī)玻璃進(jìn)行模擬。將機(jī)械加工出的不同種類和梯度尺寸的缺陷芯塊,分別用于模擬芯塊開裂、燃料中心熔化以及芯包間隙變化等(見表2)。

        圖5 燃料棒人工缺陷試件結(jié)構(gòu)示意

        表2 人工缺陷芯塊相關(guān)參數(shù) mm

        按照上述分析的工藝參數(shù),使用X射線數(shù)字成像檢測裝置對人工缺陷試件進(jìn)行成像,圖像中模擬燃料棒內(nèi)部燃料芯塊、彈簧等各部件的結(jié)構(gòu)均清楚顯示,且在預(yù)制的缺陷中,最小的芯塊間隙0.1 mm、最小的芯包間隙0.2 mm、最小的芯塊裂紋寬度0.2 mm以及最小的芯塊孔直徑0.4 mm均能看到,圖像分辨率滿足燃料棒輻照后的檢驗(yàn)要求。

        3.2 應(yīng)用實(shí)例

        作為反應(yīng)堆的核心部件,在高溫、高壓、中子輻照及腐蝕等苛刻環(huán)境中服役的燃料棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大的變化,X射線數(shù)字成像檢測可以提供諸如芯包間隙減少、彈簧松弛、芯塊缺失或碎裂等方面的信息,幫助評價(jià)燃料棒的服役性能。

        同時(shí),在破損燃料元件的失效分析方面,一般情況下導(dǎo)致燃料棒破損的原因主要有制造缺陷、格架磨蝕、異物磨蝕以及PCI(芯塊包殼相互作用)等,通過X射線檢測可以提供芯塊缺失、包殼氫化腫脹、包殼破損以及焊接部位變化失效等信息,幫助確定破口的位置并進(jìn)行破損原因的查找。

        實(shí)際應(yīng)用中,X射線數(shù)字成像檢測裝置所獲得的燃料棒圖像很好地反應(yīng)了其各種內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷信息,對于評價(jià)燃料棒的性能以及分析破損燃料元件起到了很大的作用。圖6列出了一些X射線檢測中常見的完整及破損燃料棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的檢測圖像。

        圖6 反應(yīng)堆燃料棒X射線數(shù)字成像檢測圖像

        4 結(jié)語

        研究表明,X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)可以應(yīng)用于放射性較強(qiáng)的乏燃料棒檢測中,通過檢測裝置和工藝參數(shù)優(yōu)化,在圖像質(zhì)量滿足要求的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了輻照后材料的數(shù)字化檢驗(yàn);在實(shí)際工作中,對于評價(jià)燃料棒的性能以及破損燃料元件的分析起到了很大的作用。

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