激光測(cè)徑技術(shù)在核反應(yīng)堆燃料棒輻照后檢驗(yàn)中的應(yīng)用研究

附程++湯琪

摘 要：直徑測(cè)量是燃料棒輻照后檢驗(yàn)的一項(xiàng)重要項(xiàng)目，使用激光測(cè)徑技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備與燃料棒非接觸測(cè)量的目的。針對(duì)燃料棒會(huì)對(duì)設(shè)備電子器件造成輻照損傷的問(wèn)題，激光測(cè)徑儀經(jīng)過(guò)屏蔽改造后被放置于熱室用于反應(yīng)堆燃料棒直徑的測(cè)量。經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)直徑棒進(jìn)行校驗(yàn)，系統(tǒng)測(cè)量精度為±3μm，滿足檢驗(yàn)的要求。

關(guān)鍵詞：燃料棒 輻照后檢驗(yàn) 激光測(cè)徑

中圖分類號(hào)：TL421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）05（a）-0210-04

Abstract： Diameter measurement is an important itemin the post irradiation examination （PIE） of irradiated fuel rods， and measurement using laser device technology can realize the goal of noncontact with the fuel rod. In order to solve the irradiation damage from fuel rods， the instrument was put into the hotcell after modification. The accuracy is about ±3μm， which can meet the requirement of the examination.

Key Words： Fuel rod； Diameter measurement； Laser device

燃料棒在反應(yīng)堆內(nèi)運(yùn)行期間，在輻照、高溫等因素作用下，燃料棒會(huì)發(fā)生諸如燃料輻照腫脹、過(guò)多裂變氣體釋放、包殼蠕變以及包殼-芯塊機(jī)械相互作用等方面的變化[1]，而這些變化都可以直觀地通過(guò)直徑的變化反映出來(lái)。因此，燃料棒直徑的測(cè)量對(duì)于評(píng)價(jià)燃料棒在堆內(nèi)的性能非常重要。

從核反應(yīng)堆內(nèi)卸車的燃料棒帶有很強(qiáng)的放射性，會(huì)給直徑的測(cè)量帶來(lái)諸多困難，差動(dòng)變壓器接觸法和激光測(cè)徑法是目前測(cè)量燃料棒直徑比較廣泛使用的兩種方法[1]。而相對(duì)于前者，激光測(cè)徑技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于在不降低測(cè)量準(zhǔn)確度的前提下，可以實(shí)現(xiàn)燃料棒與裝置非接觸而達(dá)到測(cè)量的目的，這就可以在測(cè)量過(guò)程中減少設(shè)備對(duì)于燃料棒的損傷。

1 檢驗(yàn)原理

燃料棒直徑測(cè)量所使用的激光測(cè)徑技術(shù)的原理非常簡(jiǎn)單，如圖1所示，一般的激光測(cè)徑儀帶有高速旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射器和激光接收器，激光發(fā)射器發(fā)出的激光束通過(guò)一組透鏡處理變成平行光，物件只要擋住光束，在接收器上就有信號(hào)產(chǎn)生，通過(guò)光電傳感器將此信號(hào)傳到專用計(jì)算機(jī)處理器上，可讀出所測(cè)量位置的直徑值。

2 檢驗(yàn)裝置

2.1 激光測(cè)徑儀的改造

市場(chǎng)上采購(gòu)的原始激光測(cè)徑儀如圖2所示，其擁有眾多電子器件，因此抗輻照能力有限，不適于測(cè)量輻照比較強(qiáng)的燃料棒，因此必須在現(xiàn)有條件下做設(shè)備的屏蔽改造以適應(yīng)熱室的工作環(huán)境，做到既能保護(hù)設(shè)備又不影響直徑測(cè)量的準(zhǔn)確性。

首先，將圖2所示的激光測(cè)徑儀進(jìn)行分解，將其激光發(fā)射端和接收端拿出分別安置于燃料棒的兩側(cè)，使用平均厚度40 mm厚的鎢合金作為屏蔽材料將發(fā)射端和接收端分別屏蔽，同時(shí)留有線路和激光光路的通道；然后，將兩個(gè)平面鏡也在燃料棒兩側(cè)布置，且兩者位于激光光路通道之前并呈一定角度，目的是使得發(fā)射端發(fā)出的激光光束經(jīng)過(guò)兩次反射后能被接收端接收，完成在不阻擋燃料棒正常運(yùn)動(dòng)情況下的直徑測(cè)量。改造之后的實(shí)物如圖2所示。

2.2 檢驗(yàn)裝置

激光測(cè)徑儀經(jīng)過(guò)屏蔽改造后能夠更好地適應(yīng)燃料棒檢驗(yàn)中強(qiáng)輻射的工作環(huán)境，將其放入熱室多功能測(cè)量臺(tái)架上，并配合裝卡燃料棒的移動(dòng)小車、防止燃料棒抖動(dòng)的托架等輔助部件組成整個(gè)反應(yīng)堆燃料棒的直徑測(cè)量系統(tǒng)（如圖3所示）。

燃料棒直徑測(cè)量時(shí)，熱室中的移動(dòng)小車帶動(dòng)燃料棒在臺(tái)架上左右移動(dòng)，并在所設(shè)定的固定間隔位置停留一定時(shí)間，激光發(fā)射端發(fā)出的激光掃描燃料棒，接收端將獲得的直徑信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，同時(shí)移動(dòng)小車具有帶動(dòng)燃料棒旋轉(zhuǎn)的功能，可以進(jìn)行多角度直徑測(cè)量，從而可以得到燃料棒橢圓度方面的信息。

3 應(yīng)用結(jié)果及分析

3.1 直徑測(cè)量裝置校驗(yàn)

使用激光測(cè)徑技術(shù)測(cè)量燃料棒直徑的誤差主要來(lái)源有燃料棒的抖動(dòng)、激光束的穩(wěn)定性等。為了驗(yàn)證改造之后的激光測(cè)量裝置直徑測(cè)量的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)加工如圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)棒對(duì)裝置進(jìn)行校驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)棒共有7個(gè)不同直徑的臺(tái)階，經(jīng)計(jì)量部門測(cè)試后的尺寸分別為9.502 mm、9.403 mm、9.452 mm、9.502 mm、9.552 mm、9.601 mm和9.498 mm。使用激光測(cè)徑裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)棒測(cè)量的結(jié)果如圖4所示，排出臺(tái)階過(guò)渡處加工的誤差，結(jié)果顯示系統(tǒng)測(cè)量偏差值基本在3μm以內(nèi)，達(dá)到國(guó)外所報(bào)道的水平[2]。

為保證燃料棒直徑測(cè)量的準(zhǔn)確度，減小實(shí)驗(yàn)誤差，在每次燃料棒進(jìn)行測(cè)量前后均使用該標(biāo)準(zhǔn)棒對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行校正。

3.2 燃料棒檢驗(yàn)

作為一種無(wú)損測(cè)量手段，反應(yīng)堆燃料棒直徑測(cè)量能夠反映芯塊腫脹、包殼蠕變等重要的尺寸變化信息；同時(shí)，由氫化或者是“環(huán)脊”所引起的包殼徑向的變化也能通過(guò)實(shí)驗(yàn)所獲得的直徑數(shù)據(jù)進(jìn)行初步判斷。

利用熱室內(nèi)的激光測(cè)徑裝置進(jìn)行燃料棒直徑測(cè)量時(shí)，為獲得完整的數(shù)據(jù)，多采用母線法分別在0°、45°、90°、135°四個(gè)相對(duì)角度方向上對(duì)燃料棒進(jìn)行直徑測(cè)量；一般選擇測(cè)量間隔為1 mm，每到一個(gè)位置時(shí)，燃料棒停頓，激光測(cè)徑裝置進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，直到完成整根燃料棒的測(cè)量。某核電站反應(yīng)堆完整燃料棒單個(gè)角度方向直徑的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出：對(duì)于完整的燃料棒，燃耗在不超過(guò)一定程度時(shí)，所測(cè)直徑值呈現(xiàn)中間小，兩頭大的趨勢(shì)；由于受到堆內(nèi)高溫蠕變和輻照生長(zhǎng)的共同影響，中間大部區(qū)域的直徑值均小于燃料棒設(shè)計(jì)值。

燃料棒在堆內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間輻照期間，由于燃料芯塊與包殼的熱膨脹系數(shù)以及所受溫度的差異，芯塊和包殼會(huì)經(jīng)歷如圖6所示的變化過(guò)程，芯塊與包殼之間的間隙逐漸較小，最終芯塊與包殼相互接觸發(fā)生相互作用，并形成“環(huán)脊”[3-4]。“環(huán)脊”形成最直接的反映是燃料棒直徑會(huì)發(fā)生有規(guī)律的變化，對(duì)應(yīng)圖5中虛線框內(nèi)更細(xì)節(jié)的圖如圖7所示，可以看出每一個(gè)峰值相互之間的距離就是一個(gè)芯塊的長(zhǎng)度，從而證明該燃料棒“環(huán)脊”的存在，“環(huán)脊”的高度約在10μm左右。

4 結(jié)語(yǔ)

激光測(cè)徑儀經(jīng)過(guò)改造后被放入熱室進(jìn)行反應(yīng)堆燃料棒直徑的測(cè)量，既能夠適應(yīng)熱室強(qiáng)輻照的工作環(huán)境，同時(shí)其±3μm測(cè)量精度能夠滿足檢驗(yàn)的要求，其測(cè)量結(jié)果已經(jīng)被用于燃料棒性能的評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)

[1] Guidebook on non-destructive examination of water reactor fuel[J].Vienna：IAEA，1991.

[2] D PAPAIOANNOU，R NASYROW，W DE WEERD，et al，Non-destructive examinations of irradiated fuel rods at the ITU hot cells，Hotlab 48th annual meeting：Hot cell post-irradiation examination and pool-side inspection of nuclear fuel[J].Slovakia，2011.

[3] Tanweer Alam，Mohd. Kaleem Khan，Manabendra Pathak，et al.A review on the clad failure studies.Nuclear Engineering and Design，2011（241）：3658-3677.

[4] Steinar.Mechanical interaction between fuel and cladding[J].Nuclear Engineering and Design，1972（21）：237-253.