湯 琪,王華才,梁政強
(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輸?shù)綄iT的輻照材料檢驗熱室進行檢測。
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,而數(shù)字成像已經(jīng)在多個領(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。筆者將X射線數(shù)字成像技術(shù)應(yīng)用于強放射性燃料棒內(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后,可將其用于實際樣品檢驗中。
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,傳送到計算機中進行處理,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動,線陣探測器一行一行掃描得到的數(shù)據(jù)就形成了一幅動態(tài)的檢測圖像,從而完成整根燃料棒的成像過程。
輻照后的燃料棒具有很強的放射性,需要在專門的場所進行檢測,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、移動小車、臺架、射線機、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,燃料棒被放進熱室并裝夾在移動小車上。成像時,熱室中的移動小車帶動燃料棒在臺架上左右移動,射線機產(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)化成圖像信息在計算機上實時顯示,移動小車上配有旋轉(zhuǎn)卡盤,可以帶動燃料棒旋轉(zhuǎn)至任意角度。檢測過程中,可通過調(diào)節(jié)小車的移動速度、焦距(射線機升降)、透照電壓和電流等參數(shù)獲得高質(zhì)量的圖像。
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],但同時也是整個試驗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行防護。
圖4 線陣探測器外觀
X射線數(shù)字成像系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)如表1所示,實際檢測過程中需要根據(jù)燃料棒的特點對參數(shù)進行調(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,實際檢測時,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,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,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的計算方法如式(1)所示,在一定條件下選擇小的焦點尺寸,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)使用的射線機焦點最小尺寸df為0.4 mm,焦點至工件表面的距離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 運動速度
通過調(diào)節(jié)臺架的運行速度以及射線機電流的大小,可改變?nèi)剂习舻钠毓饬?。同時,由于探測器必須有相對運動才能成像,在運動狀態(tài)下會產(chǎn)生運動不清晰度,一般運動速度越大,運動不清晰度就越大,得到的圖像越不清晰[3],因此成像時需要將燃料棒保持在相對較慢的移動速度下,選擇的燃料棒運動速度為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,在每個電壓下,需要依次在360°范圍內(nèi)至少轉(zhuǎn)動燃料棒3次進行成像,每次轉(zhuǎn)動120°。
為了確定系統(tǒng)所獲得的圖像對于缺陷所能達到的分辨能力以及驗證工藝參數(shù)的合理性,設(shè)計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)的有機玻璃進行模擬。將機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要求。
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,幫助評價燃料棒的服役性能。
同時,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行破損原因的查找。
實際應(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
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,實現(xiàn)了輻照后材料的數(shù)字化檢驗;在實際工作中,對于評價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。