張小剛，湯 慧，朱吉印，葛 騰，竇勤明

(1.中核北方核燃料元件有限公司，包頭 014035；2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部，北京 102413)

目前，研究堆燃料元件多為管狀或板狀，不同層燃料管(板)之間設(shè)計(jì)有一定寬度的流道間隙(水隙)，用來(lái)保證核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被冷卻劑及時(shí)帶走[1-3]。水隙的寬度必須滿足一定的技術(shù)要求，否則會(huì)造成冷卻程度不同，熱量分布不均勻，影響反應(yīng)堆內(nèi)的安全運(yùn)行。

國(guó)內(nèi)研究堆燃料組件第一代水隙檢測(cè)設(shè)備采用手工移動(dòng)的渦流探頭，檢測(cè)結(jié)果以紙帶打點(diǎn)的形式記錄。第二代水隙檢測(cè)設(shè)備采用半機(jī)械式的移動(dòng)超聲探頭，檢測(cè)結(jié)果采用專(zhuān)用軟件記錄[4]。第一代和第二代水隙檢測(cè)設(shè)備不適用于輻照環(huán)境，存在如半導(dǎo)體材料以及通用光電開(kāi)關(guān)無(wú)法使用、有機(jī)材料脆化等問(wèn)題，故需設(shè)計(jì)制作輻照環(huán)境下專(zhuān)用的水隙檢測(cè)設(shè)備以滿足乏燃料組件的水隙檢測(cè)。

筆者研制了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的熱室用板型乏燃料組件水隙檢測(cè)系統(tǒng)，主要用于裂變后CARR(中國(guó)先進(jìn)研究堆)板型燃料組件水隙的檢測(cè)，可以為研究燃料元件在堆內(nèi)運(yùn)行后的水隙狀況提供依據(jù)。

1 檢測(cè)原理

板型燃料組件由多張單板通過(guò)機(jī)械的方式組合而成，組件中相鄰單板之間留有一定間隙，以便讓冷卻水通過(guò)，帶走核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，通常稱為水隙，板型燃料組件水隙結(jié)構(gòu)如圖1所示。通常來(lái)說(shuō)水隙高度為0.9～2.9 mm，寬度為30～50 mm，深度為1 000～1 500 mm，常規(guī)測(cè)量器具、儀器不能深入到細(xì)長(zhǎng)的燃料元件水隙內(nèi)測(cè)量其高度，并且常規(guī)測(cè)量?jī)x在強(qiáng)電離輻射場(chǎng)內(nèi)無(wú)法正常工作，不適用于核反應(yīng)堆內(nèi)在線測(cè)量和出堆后乏燃料元件測(cè)量。

圖1 板型燃料組件水隙結(jié)構(gòu)示意

文章所提出的水隙測(cè)量傳感器以理想平板電容傳感器為基本原理。傳感器和被測(cè)組件水隙管壁均為平板結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)理想的平板電容，傳感器和被測(cè)組件水隙管壁為電容的兩個(gè)極板。當(dāng)給傳感器極板前端的線圈通入交變電流時(shí)，線圈產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，在兩個(gè)極板上均產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和感應(yīng)電流，此時(shí)通過(guò)傳感器的測(cè)量電路可測(cè)得兩極板間電容值C[5-6]。

根據(jù)理想平板電容原理，極板間距d和電容值C成反比關(guān)系，即

d=εS/C

(1)

式中:ε為空氣介電常數(shù);S為傳感器極板面積。

對(duì)于一個(gè)固定的傳感器，εS是一個(gè)可標(biāo)定的常數(shù)。因此，只需測(cè)量電容值即可計(jì)算出極板間距d。

水隙測(cè)量傳感器上下各有一個(gè)線圈，可同時(shí)測(cè)量上下兩側(cè)的間隙大小(d1,d2)，相加即可求得整個(gè)水隙尺寸d，板型燃料組件水隙檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 板型燃料組件水隙檢測(cè)原理示意

2 檢測(cè)系統(tǒng)組成

檢測(cè)系統(tǒng)由專(zhuān)用水隙測(cè)量探頭、檢測(cè)平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)等組成(見(jiàn)圖3)。

圖3 水隙檢測(cè)系統(tǒng)組成

專(zhuān)用水隙測(cè)量探頭主要用于測(cè)量傳感器與水隙上、下壁的距離，由板狀金屬支撐桿、上下傳感器線圈、上下傳感器電容測(cè)量裝置等組成。

檢測(cè)平臺(tái)主要用于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)及定位，由組件支撐架、探頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架、攝像導(dǎo)引裝置、電氣控制裝置等組成。

數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)操控、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析計(jì)算等功能，由計(jì)算機(jī)、操作及數(shù)據(jù)處理軟件等組成。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)熱室內(nèi)乏燃料組件的水隙測(cè)量，需要集成設(shè)計(jì)專(zhuān)用檢測(cè)平臺(tái)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)考慮以下設(shè)計(jì)要素：① 為了便于水隙傳感器伸入高度不超過(guò)3 mm的水隙中，設(shè)計(jì)專(zhuān)用薄板式水隙測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)(探頭)；② 為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，設(shè)計(jì)三維運(yùn)動(dòng)裝置；③ 為了實(shí)現(xiàn)視覺(jué)引導(dǎo)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)流道間隙，設(shè)計(jì)視覺(jué)相機(jī)導(dǎo)引裝置；④ 為了避免探頭偏離預(yù)設(shè)方向，設(shè)計(jì)探頭導(dǎo)向套；⑤ 為了保證燃料組件安裝位置，設(shè)計(jì)專(zhuān)用燃料組件定位工裝。

3.1 專(zhuān)用水隙測(cè)量探頭設(shè)計(jì)

水隙測(cè)量探頭為薄板式，包括上下兩片傳感部分和其提供支撐的連接桿。該探頭為雙通道探頭，前端敏感區(qū)上下各有一枚傳感器，可同時(shí)測(cè)量上下被測(cè)板距離上下敏感部分的分位移，進(jìn)而綜合計(jì)算出上下被測(cè)板之間的距離。探頭檢測(cè)精度為±5 μm，測(cè)量時(shí)組件端頭無(wú)盲區(qū)，探頭重量不大于300 g，可實(shí)現(xiàn)對(duì)0.92.9 mm 微小水隙的實(shí)時(shí)測(cè)量和實(shí)時(shí)顯示，流道間隙傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 流道間隙傳感器結(jié)構(gòu)示意

3.2 三維運(yùn)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

三維運(yùn)動(dòng)裝置由組件支撐架、探頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)支架等組成。考慮到裝置的頻繁搬運(yùn)，在設(shè)計(jì)制造中將被測(cè)組件的支架與探頭、水隙定位對(duì)正運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)共置于同一變形量極少的鋁合金平臺(tái)上。探頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與組件支撐架采用活性連接，使用時(shí)，將探頭運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)卡于組件支撐架的立柱卡槽上；不使用時(shí)，可從卡槽拿下，放置于其他合適位置。

探頭支架在y/z方向的水隙與探頭對(duì)正定位是由y/z方向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模組來(lái)完成的，定位時(shí)，y/z軸同步運(yùn)動(dòng)，可以高效地完成探頭與組件水隙中心的定位對(duì)正。

探頭在x方向進(jìn)出水隙的運(yùn)動(dòng)則是以高精度伺服電機(jī)為動(dòng)力，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)滾珠絲杠帶動(dòng)滑座上的探頭實(shí)現(xiàn)探頭的推進(jìn)進(jìn)入與收縮拉出，探頭尾部的連接電纜由拖鏈輔助行走，探頭x方向收縮機(jī)構(gòu)整體獨(dú)立。

探頭運(yùn)動(dòng)支架上配置有一個(gè)微型攝像頭，可將圖像信號(hào)傳輸?shù)街行谋O(jiān)控屏上，便于檢測(cè)人員實(shí)時(shí)觀察，視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示。此外，探頭在輸送軌道上配置有激光開(kāi)關(guān)，用于探頭在推送過(guò)程中的安全保護(hù)。四軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)配合視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)正間隙位置的功能，四軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

圖6 四軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

3.3 視覺(jué)引導(dǎo)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)流道間隙

為提高檢測(cè)過(guò)程中的安全性和傳感器使用壽命，組件端頭加設(shè)了一臺(tái)視覺(jué)相機(jī)(見(jiàn)圖7)，檢測(cè)時(shí)首先用該相機(jī)拍照確認(rèn)流道間隙層間位置，驅(qū)動(dòng)探頭導(dǎo)向套至初始位置，然后才能驅(qū)動(dòng)探頭進(jìn)入縫隙內(nèi)檢測(cè)。機(jī)器視覺(jué)組件包括面陣相機(jī)CCD (電荷耦合器件)、鏡頭組件、光源組件、控制器組件等?？赏ㄟ^(guò)視覺(jué)引導(dǎo)裝置獲得每個(gè)流道間隙的二維坐標(biāo)以及水隙入口處的準(zhǔn)確寬度，水隙入口二維坐標(biāo)和寬度測(cè)量結(jié)果如圖8所示。二維坐標(biāo)可用來(lái)引導(dǎo)探頭導(dǎo)向套，使其自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)流道間隙的入口，入口寬度可以用來(lái)輔助判斷流道間隙的大小是否適合探頭進(jìn)入。

圖7 視覺(jué)相機(jī)實(shí)物

圖8 水隙入口二維坐標(biāo)和寬度測(cè)量結(jié)果

3.4 探頭導(dǎo)向套設(shè)計(jì)

檢測(cè)探頭在自然狀態(tài)下的位置并不完全固定，且軸向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于徑向?qū)挾龋十?dāng)檢測(cè)探頭沿x1軸向前移動(dòng)時(shí)，為了準(zhǔn)確地將探頭送入水隙中，需在x1方向運(yùn)動(dòng)部件的末端至待檢工件之間加裝一個(gè)導(dǎo)向套，起固定及導(dǎo)向作用，導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)示意

導(dǎo)向套材料為304不銹鋼，表面粗糙度不大于3.2 μm，人眼可觀測(cè)探頭狀態(tài)。導(dǎo)向套的入口尺寸稍大于檢測(cè)探頭尺寸，探頭總是置于導(dǎo)向套入口內(nèi)。檢測(cè)時(shí)，導(dǎo)向套的錐形設(shè)計(jì)通道可將探頭順利送入水隙入口處，避免探頭與燃料板碰觸發(fā)生損壞。

組件端頭(燃料板水隙)兩端各有插銷(xiāo)舌片，其伸出約20～30 mm。初步考慮可不測(cè)量舌片下方位置，如需測(cè)量，則導(dǎo)向套在到達(dá)舌片前即可停止，探頭直接伸出亦可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確進(jìn)入。

由于x1軸探頭的長(zhǎng)度為1 200 mm，探頭截面尺寸為6 mm×0.9 mm(長(zhǎng)×寬)，探頭長(zhǎng)度較長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致探頭使用一段時(shí)間后發(fā)生向上翹曲變形的現(xiàn)象(見(jiàn)圖10)。因此，筆者在設(shè)計(jì)x1軸時(shí)優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，在探頭上方增加一排壓輪，用來(lái)限制探頭向上變形，x1軸運(yùn)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖10 變形探頭外觀

圖11 x1軸運(yùn)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)示意

3.5 組件定位工裝設(shè)計(jì)

在組件上料時(shí)，由前擋塊、定位工裝和壓緊氣缸固定了組件在前后、上下、左右方向的位置，其定位工裝結(jié)構(gòu)如圖12所示。對(duì)于組件擺放前后位置的微小差異，可通過(guò)探頭的起始信號(hào)來(lái)判斷探頭進(jìn)入水隙的時(shí)刻，并以此點(diǎn)為開(kāi)始，通過(guò)軟件控制探頭向前進(jìn)給1 100 mm，以此來(lái)自適應(yīng)位置的差異。最大適應(yīng)度為前后擺放誤差為±30 mm。物料支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)有仿形定位槽，保證組件能牢固固定在支撐平臺(tái)上，同時(shí)壓力可以在0～0.6 MPa范圍內(nèi)調(diào)整，確保物料不會(huì)被擠壓變形。

圖12 板型燃料組件定位工裝結(jié)構(gòu)示意

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 檢測(cè)流程

進(jìn)行板型乏燃料組件水隙檢測(cè)時(shí)，從組件傳輸通道將單個(gè)待檢測(cè)組件傳至熱室，利用機(jī)械手將被測(cè)組件按規(guī)定放置在備物料平臺(tái)上，輸入組件編號(hào)后，組件端口的相機(jī)拍攝端口截面照片，通過(guò)圖像分析引導(dǎo)導(dǎo)向套至初始位置并進(jìn)入水隙內(nèi)部。探頭首先自動(dòng)快速伸入水隙中，然后勻速回退?；赝诉^(guò)程中，軟件采集探頭所經(jīng)路線上的水隙厚度值，并以數(shù)據(jù)和曲線的形式顯示，最終自動(dòng)生成報(bào)告圖譜。板型乏燃料組件水隙檢測(cè)流程圖如圖13所示。

圖13 板型乏燃料組件水隙檢測(cè)流程圖

4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

采用7種不同間隙尺寸試塊，在每種試塊中等間隔取樣,獲得10個(gè)間隙的尺寸測(cè)量值，對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證。間隙尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，最大偏差為-11.15 μm，系統(tǒng)檢測(cè)精度為±0.02 mm。

表1 間隙尺寸測(cè)量數(shù)據(jù) μm

4.3 實(shí)際測(cè)試

采用該設(shè)備對(duì)CARR板型乏燃料組件進(jìn)行流道間隙自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖14所示。

圖14 CARR板型乏燃料組件流道間隙檢測(cè)結(jié)果(第9層，第2條)

可以看出，該方法能檢測(cè)出異常流道間隙。其中某組件第9層(y軸70.5 mm，z軸38.245 mm，x軸180 mm處)疑似有雜物起泡，流道間隙寬度約為2.2 mm，比名義值小0.2 mm，異常組件流道間隙檢測(cè)圖譜如15所示。

在熱室內(nèi)對(duì)組件進(jìn)行解體，將燃料板依次取下，發(fā)現(xiàn)燃料板未有彎曲變形等異?，F(xiàn)象，利用高分辨率宏觀觀察裝置對(duì)表面進(jìn)行初步觀察，發(fā)現(xiàn)距板尾端180 mm處存在黑色斑點(diǎn)。通過(guò)金相解剖發(fā)現(xiàn)，流道間隙異常位置出現(xiàn)了腫脹，凸起高度達(dá)0.2 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明該流道間隙檢測(cè)設(shè)備能夠應(yīng)用于板型乏燃料的組件流道間隙檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

研制的熱室用板型乏燃料組件水隙檢測(cè)系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量板型組件各層水隙的大小，具有檢測(cè)精度高、速度快、自動(dòng)化程度高、測(cè)量便捷等特點(diǎn)。采用該系統(tǒng)對(duì)CARR板型乏燃料組件水隙進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，所檢測(cè)的板型燃料組件流道間隙寬度為0.9～2.9 mm，檢測(cè)精度為±0.02 mm，有效發(fā)現(xiàn)了組件內(nèi)的異常水隙位置，實(shí)現(xiàn)了裂變后板型燃料組件水隙的檢測(cè)，可為研究燃料組件堆內(nèi)運(yùn)行后的水隙狀況提供依據(jù)。

圖15 異常組件流道間隙檢測(cè)圖譜(第9層，第1條)