激光測徑儀的屏蔽改造及其應(yīng)用

摘 要：激光測徑儀作為一種簡便、精確的尺寸測量手段，已在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于激光測徑儀中的核心部件主要為光學(xué)及電子器件，因此其耐受γ射線照射的能力較低。為完成反應(yīng)堆乏燃料棒的尺寸測量工作，對(duì)激光測徑儀進(jìn)行了屏蔽改造，改造后的設(shè)備在保留了原有測量精度的前提下，耐輻照能力得到顯著提升，可用于高放射性物品的尺寸測量工作。

關(guān)鍵詞：激光測徑儀 屏蔽改造 乏燃料 尺寸測量

中圖分類號(hào)：TN247

ShieldingModificationandApplicationofLaserDiameter Gauges

LIU Qiang

（China Institute of Atomic Energy， Beijing， 102413 China）

Abstract： As a simpleand accurate means ofdimension measurement， a laser diameter gauge has been widely applied in the industrial field. The core components ofthe laser diameter gaugearemainly optical and electroniccomponents， soit has a low tolerancetoγ-rayradiation.In orderto perform the dimension measurement of the spent fuel rodsof thereactor， shieldingmodificationis completed on the laser diameter gauge.On the premise of retaining the original measurement accuracy， the modifieddivice hassignificantly improved its irradiation resistance， which can be used for the dimension measurement of high-level radioactive items.

Key Words： Laser diameter gauge；Shieldingmodification；Spent fuel；Dimension measurement

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、裂變氣體釋放、包殼蠕變、輻照生長以及包殼-芯塊相互作用等方面的變化，甚至發(fā)生破損，而這些變化都可以直觀地通過測量尺寸的變化反映出來。同時(shí)，燃料棒的直徑變化可能引起冷卻劑流道變化，進(jìn)而對(duì)反應(yīng)堆的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響，因此乏燃料棒尺寸是評(píng)價(jià)其運(yùn)行性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。長期以來，針對(duì)乏燃料棒的尺寸測量均采取了LVDT等接觸式測量方法，該方法需要對(duì)燃料棒表面施加一定的作用力，可能會(huì)破壞燃料棒表面的原始形貌，同時(shí)其測量準(zhǔn)確度受測量裝置形位因素的影響較大，測量的不確定度相對(duì)較高。激光測徑技術(shù)作為近年來廣泛應(yīng)用的測量技術(shù)，具有測量精度高、響應(yīng)速度快、非接觸測量等優(yōu)點(diǎn)，在乏燃料棒尺寸測量領(lǐng)域得到了關(guān)注。

1 激光測徑儀的耐輻照性能分析

激光測徑儀的工作原理如下：激光測徑儀帶有高速旋轉(zhuǎn)的激光發(fā)射器和激光接收器，激光發(fā)射器發(fā)zUmysVkZ3mTNeB4jnxDOIQ==出的激光束通過一組透鏡處理變成平行光，當(dāng)被測物體擋住光束，在接收器上就有信號(hào)產(chǎn)生，通過光電傳感器將此信號(hào)傳到專用計(jì)算機(jī)處理器上，可讀出所測量的直徑值，其原理圖如圖1所示。

由其結(jié)構(gòu)原理可知，激光測徑儀的關(guān)鍵部件包括光學(xué)鏡片和半導(dǎo)體器件。在進(jìn)行放射性樣品的測量時(shí)，除信號(hào)處理器可遠(yuǎn)距離布置外，其余部件均須近距離暴露在γ射線的照射下。而光學(xué)鏡片和半導(dǎo)體器件的耐輻照能力較低，其中光學(xué)鏡片在γ射線照射下會(huì)生成色心而導(dǎo)致其透光率下降[1]；半導(dǎo)體器件則會(huì)由于γ射線的電離損傷而失效。根據(jù)此前的使用經(jīng)驗(yàn)，吸收劑量達(dá)到約102Gy量級(jí)，即可引起光學(xué)玻璃的顯著變色和普通半導(dǎo)體器件的失效，而典型的乏燃料棒表面劑量率可高達(dá)每小時(shí)數(shù)Gy到每小時(shí)數(shù)十Gy的水平，因此未經(jīng)改造的激光測徑儀無法在該環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。圖2展示了典型的光學(xué)玻璃在γ射線照射前后的透明度對(duì)比。

2 屏蔽改造的原理及方案

屏蔽改造的基本原則即利用適當(dāng)?shù)牟牧蠈?duì)激光測徑儀的外圍進(jìn)行屏蔽，同時(shí)需保留激光束發(fā)射及接收的窗口。常見屏蔽γ射線材料有水、土壤、鐵礦石、混凝土、鉛、鎢等以及高比重合金材料[2]，通常采用含高原子序數(shù)元素的材料進(jìn)行光子屏蔽，如鎢、鉛、不銹鋼等[3]。鈾金屬對(duì)于γ射線的屏蔽性能更為優(yōu)異，鎢的半吸收厚度在鈾的0.６～0.９之間，貧化金屬鈾材料制備的屏蔽體優(yōu)勢明顯[4]。但貧鈾材料需作為核材料進(jìn)行管理，使用上存在較多不便。乏燃料棒在釋放γ射線的同時(shí)，也會(huì)通過自發(fā)裂變、（γ，n）等反應(yīng)釋放快中子，因此也需考慮中子屏蔽的問題。含硼聚乙烯是一種含有大量氫原子及硼原子的碳?xì)浠衔?，是目前最常用的中子屏蔽材料[5]，但其機(jī)械加工性能較差；同時(shí)，考慮到中子輻照對(duì)于整體輻射劑量的貢獻(xiàn)較低，且鎢合金對(duì)于1～12 MeV中子的慢化性能已好于普通聚乙烯[6]，因此本次屏蔽設(shè)計(jì)中不再單獨(dú)設(shè)置中子屏蔽層。根據(jù)這一原則，選取對(duì)γ射線吸收能力較強(qiáng)的鎢合金作為主要屏蔽材料，針對(duì)激光發(fā)射及接收窗口的設(shè)計(jì)則考慮了兩種方案。

方案1利用了反射測量的原理，如圖3所示。將激光測徑儀的發(fā)射及接收部件的相對(duì)位置進(jìn)行了90°旋轉(zhuǎn)，并利用鎢合金材料進(jìn)行整體包裹，僅保留可供燃料棒穿入的窗口；利用2組反射鏡改變激光束傳輸?shù)姆较?，?dāng)平行光激光束進(jìn)行90°的反射時(shí)，激光束的寬度不發(fā)生變化，因此進(jìn)行了2次反射的激光束可以傳遞被測物體的尺寸信息；而γ射線則不具備反射的特性，將透過反射鏡射出，僅有極少量的散射線會(huì)延90°方向傳播，這就大大降低了激光發(fā)射及接收部件所受的射線照射。

方案1的優(yōu)點(diǎn)在于鎢合金的屏蔽厚度可以設(shè)置較厚，當(dāng)屏蔽厚度足夠厚時(shí)，激光測徑儀所在位置已幾乎沒有輻射劑量，其使用壽命可以達(dá)到在非放射性環(huán)境下使用的水平。但其缺點(diǎn)在于改造后的整體重量較重（屏蔽厚度約50 mm時(shí)，重量超過200 kg），因此與運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合存在困難；同時(shí)，由于其測量精度和準(zhǔn)確度高度依賴反射鏡、安裝基座等部件的形位公差，因此加工成本高、測量精度存在損失。針對(duì)方案1存在的不足，在保留有限屏蔽厚度的情況下設(shè)計(jì)了方案2。

方案2不改變激光測徑儀發(fā)射及接收部件的相對(duì)布置，采用有限厚度的鎢合金進(jìn)行除光學(xué)窗口外的其余5面的屏蔽，對(duì)于光學(xué)窗口則采用了密度較高且在輻照環(huán)境下不易變色的鉛玻璃進(jìn)行遮擋，如圖4所示。該方案下，由于激光發(fā)射部件和接收部件的最大距離存在限值，該限值決定了鉛玻璃的最大厚度；進(jìn)行其余5面屏蔽的鎢合金的厚度在幾何上沒有限制，但由于鉛玻璃所在位置是面向γ射線的輻射劑量最強(qiáng)的位置，因此鎢合金的屏蔽厚度以最大鉛玻璃厚度的屏蔽能力進(jìn)行等效設(shè)計(jì)即可。

方案2由于屏蔽能力有限，因此只能對(duì)激光測徑儀的工作壽命進(jìn)行一定程度的延長。但該方案改造后的設(shè)備重量較輕（約50 kg），且影響測量測量精度的形位公差因素僅有鉛玻璃前后兩面的平行度，因此加工成本較低、測量準(zhǔn)確度更容易保證。

利用基恩士LS-7030型激光測徑儀，基于方案2進(jìn)行了屏蔽改造。該裝置在放射性環(huán)境下的累計(jì)工作時(shí)間約300 h，其所處環(huán)境的累計(jì)吸收劑量大于104 Gy，截至工作結(jié)束未出現(xiàn)功能失效的情況。為了驗(yàn)證改造后激光測量裝置的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)加工了已知尺寸的參考棒對(duì)裝置進(jìn)行校驗(yàn)。參考棒共有7個(gè)不同直徑的臺(tái)階，經(jīng)計(jì)量部門測試后的尺寸分別為9.502 mm、9.403mm、9.452mm、9.502 mm、9.552 mm、9.601mm和9.498mm。放射性工件測量開始前和結(jié)束后均使用激光測徑裝置對(duì)參考棒進(jìn)行測量，結(jié)果如圖5所示。排除臺(tái)階過渡處加工的誤差，兩次測量結(jié)果顯示系統(tǒng)測量偏差值均在3 μm以內(nèi)。

4 結(jié)論

針對(duì)接觸式尺寸測量方法存在的不足，通過屏蔽改造的方式將激光非接觸直徑測量方法引入了乏燃料棒直徑測量領(lǐng)域。經(jīng)放射性環(huán)境實(shí)測，屏蔽改造后的激光測徑儀的耐輻照能力得到了顯著提升，耐受104 Gy累計(jì)劑量照射后，測量不確定度仍可保持在3 μm以內(nèi)，且測量結(jié)果與輻照前相比未發(fā)生明顯偏離。

參考文獻(xiàn)

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