熱室內(nèi)板型乏燃料組件水隙檢測系統(tǒng)研發(fā)

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.中國原子能科學研究院 反應堆工程技術(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)之間設計有一定寬度的流道間隙(水隙)，用來保證核反應產(chǎn)生的熱量被冷卻劑及時帶走[1-3]。水隙的寬度必須滿足一定的技術(shù)要求，否則會造成冷卻程度不同，熱量分布不均勻，影響反應堆內(nèi)的安全運行。

國內(nèi)研究堆燃料組件第一代水隙檢測設備采用手工移動的渦流探頭，檢測結(jié)果以紙帶打點的形式記錄。第二代水隙檢測設備采用半機械式的移動超聲探頭，檢測結(jié)果采用專用軟件記錄[4]。第一代和第二代水隙檢測設備不適用于輻照環(huán)境，存在如半導體材料以及通用光電開關(guān)無法使用、有機材料脆化等問題，故需設計制作輻照環(huán)境下專用的水隙檢測設備以滿足乏燃料組件的水隙檢測。

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

1 檢測原理

板型燃料組件由多張單板通過機械的方式組合而成，組件中相鄰單板之間留有一定間隙，以便讓冷卻水通過，帶走核反應產(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。通常來說水隙高度為0.9～2.9 mm，寬度為30～50 mm，深度為1 000～1 500 mm，常規(guī)測量器具、儀器不能深入到細長的燃料元件水隙內(nèi)測量其高度，并且常規(guī)測量儀在強電離輻射場內(nèi)無法正常工作，不適用于核反應堆內(nèi)在線測量和出堆后乏燃料元件測量。

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。傳感器和被測組件水隙管壁均為平板結(jié)構(gòu)，形成一個理想的平板電容，傳感器和被測組件水隙管壁為電容的兩個極板。當給傳感器極板前端的線圈通入交變電流時，線圈產(chǎn)生交變磁場，在兩個極板上均產(chǎn)生感應電勢和感應電流，此時通過傳感器的測量電路可測得兩極板間電容值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。

對于一個固定的傳感器，εS是一個可標定的常數(shù)。因此，只需測量電容值即可計算出極板間距d。

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

圖2 板型燃料組件水隙檢測原理示意

2 檢測系統(tǒng)組成

檢測系統(tǒng)由專用水隙測量探頭、檢測平臺、數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)等組成(見圖3)。

圖3 水隙檢測系統(tǒng)組成

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

檢測平臺主要用于實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的運動及定位，由組件支撐架、探頭運動機構(gòu)支架、攝像導引裝置、電氣控制裝置等組成。

數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)運動操控、信號采集、數(shù)據(jù)分析計算等功能，由計算機、操作及數(shù)據(jù)處理軟件等組成。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵設計

要實現(xiàn)熱室內(nèi)乏燃料組件的水隙測量，需要集成設計專用檢測平臺。在系統(tǒng)設計中，重點考慮以下設計要素：① 為了便于水隙傳感器伸入高度不超過3 mm的水隙中，設計專用薄板式水隙測量傳感器結(jié)構(gòu)(探頭)；② 為了實現(xiàn)自動測量，設計三維運動裝置；③ 為了實現(xiàn)視覺引導自動對準流道間隙，設計視覺相機導引裝置；④ 為了避免探頭偏離預設方向，設計探頭導向套；⑤ 為了保證燃料組件安裝位置，設計專用燃料組件定位工裝。

3.1 專用水隙測量探頭設計

水隙測量探頭為薄板式，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，可同時測量上下被測板距離上下敏感部分的分位移，進而綜合計算出上下被測板之間的距離。探頭檢測精度為±5 μm，測量時組件端頭無盲區(qū)，探頭重量不大于300 g，可實現(xiàn)對0.92.9 mm 微小水隙的實時測量和實時顯示，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 三維運動裝置設計

三維運動裝置由組件支撐架、探頭運動機構(gòu)支架等組成?？紤]到裝置的頻繁搬運，在設計制造中將被測組件的支架與探頭、水隙定位對正運動機構(gòu)共置于同一變形量極少的鋁合金平臺上。探頭運動機構(gòu)與組件支撐架采用活性連接，使用時，將探頭運動機構(gòu)卡于組件支撐架的立柱卡槽上；不使用時，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正定位是由y/z方向運動機構(gòu)模組來完成的，定位時，y/z軸同步運動，可以高效地完成探頭與組件水隙中心的定位對正。

探頭在x方向進出水隙的運動則是以高精度伺服電機為動力，傳動機構(gòu)通過滾珠絲杠帶動滑座上的探頭實現(xiàn)探頭的推進進入與收縮拉出，探頭尾部的連接電纜由拖鏈輔助行走，探頭x方向收縮機構(gòu)整體獨立。

探頭運動支架上配置有一個微型攝像頭，可將圖像信號傳輸?shù)街行谋O(jiān)控屏上，便于檢測人員實時觀察，視覺對準機構(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關(guān)，用于探頭在推送過程中的安全保護。四軸運動機構(gòu)配合視覺對準系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動對正間隙位置的功能，四軸運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 視覺對準機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

圖6 四軸運動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

3.3 視覺引導自動對準流道間隙

為提高檢測過程中的安全性和傳感器使用壽命，組件端頭加設了一臺視覺相機(見圖7)，檢測時首先用該相機拍照確認流道間隙層間位置，驅(qū)動探頭導向套至初始位置，然后才能驅(qū)動探頭進入縫隙內(nèi)檢測。機器視覺組件包括面陣相機CCD (電荷耦合器件)、鏡頭組件、光源組件、控制器組件等?？赏ㄟ^視覺引導裝置獲得每個流道間隙的二維坐標以及水隙入口處的準確寬度，水隙入口二維坐標和寬度測量結(jié)果如圖8所示。二維坐標可用來引導探頭導向套，使其自動對準流道間隙的入口，入口寬度可以用來輔助判斷流道間隙的大小是否適合探頭進入。

圖7 視覺相機實物

圖8 水隙入口二維坐標和寬度測量結(jié)果

3.4 探頭導向套設計

檢測探頭在自然狀態(tài)下的位置并不完全固定，且軸向長度遠大于徑向?qū)挾龋十敊z測探頭沿x1軸向前移動時，為了準確地將探頭送入水隙中，需在x1方向運動部件的末端至待檢工件之間加裝一個導向套，起固定及導向作用，導向套結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 導向套結(jié)構(gòu)示意

導向套材料為304不銹鋼，表面粗糙度不大于3.2 μm，人眼可觀測探頭狀態(tài)。導向套的入口尺寸稍大于檢測探頭尺寸，探頭總是置于導向套入口內(nèi)。檢測時，導向套的錐形設計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)兩端各有插銷舌片，其伸出約20～30 mm。初步考慮可不測量舌片下方位置，如需測量，則導向套在到達舌片前即可停止，探頭直接伸出亦可實現(xiàn)準確進入。

由于x1軸探頭的長度為1 200 mm，探頭截面尺寸為6 mm×0.9 mm(長×寬)，探頭長度較長會導致探頭使用一段時間后發(fā)生向上翹曲變形的現(xiàn)象(見圖10)。因此，筆者在設計x1軸時優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，在探頭上方增加一排壓輪，用來限制探頭向上變形，x1軸運動組件結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖10 變形探頭外觀

圖11 x1軸運動組件結(jié)構(gòu)示意

3.5 組件定位工裝設計

在組件上料時，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。對于組件擺放前后位置的微小差異，可通過探頭的起始信號來判斷探頭進入水隙的時刻，并以此點為開始，通過軟件控制探頭向前進給1 100 mm，以此來自適應位置的差異。最大適應度為前后擺放誤差為±30 mm。物料支撐平臺設計有仿形定位槽，保證組件能牢固固定在支撐平臺上，同時壓力可以在0～0.6 MPa范圍內(nèi)調(diào)整，確保物料不會被擠壓變形。

圖12 板型燃料組件定位工裝結(jié)構(gòu)示意

4 驗證試驗

4.1 檢測流程

進行板型乏燃料組件水隙檢測時，從組件傳輸通道將單個待檢測組件傳至熱室，利用機械手將被測組件按規(guī)定放置在備物料平臺上，輸入組件編號后，組件端口的相機拍攝端口截面照片，通過圖像分析引導導向套至初始位置并進入水隙內(nèi)部。探頭首先自動快速伸入水隙中，然后勻速回退?；赝诉^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，最終自動生成報告圖譜。板型乏燃料組件水隙檢測流程圖如圖13所示。

圖13 板型乏燃料組件水隙檢測流程圖

4.2 驗證試驗

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個間隙的尺寸測量值，對檢測系統(tǒng)的測量精度進行驗證。間隙尺寸測量數(shù)據(jù)如表1所示，可以看出，測量數(shù)據(jù)準確，最大偏差為-11.15 μm，系統(tǒng)檢測精度為±0.02 mm。

表1 間隙尺寸測量數(shù)據(jù) μm

4.3 實際測試

采用該設備對CARR板型乏燃料組件進行流道間隙自動檢測，檢測結(jié)果如圖14所示。

圖14 CARR板型乏燃料組件流道間隙檢測結(jié)果(第9層，第2條)

可以看出，該方法能檢測出異常流道間隙。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圖譜如15所示。

在熱室內(nèi)對組件進行解體，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表面進行初步觀察，發(fā)現(xiàn)距板尾端180 mm處存在黑色斑點。通過金相解剖發(fā)現(xiàn)，流道間隙異常位置出現(xiàn)了腫脹，凸起高度達0.2 mm。試驗結(jié)果表明該流道間隙檢測設備能夠應用于板型乏燃料的組件流道間隙檢測，檢測結(jié)果準確可靠。

5 結(jié)語

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

圖15 異常組件流道間隙檢測圖譜(第9層，第1條)