一種壓水堆燃料組件上管座堆內位置測量方法

孫希旺

【摘 要】介紹了壓水堆燃料組件上管座堆內位置測量的目的，闡述了堆內位置測量系統的方法和原理，分析了其測量精度和改進方法，為設備研發和改進提供參考。

【Abstract】The purpose of measuring the internal reactor position of the top nozzle of a pressurized water reactor fuel assembly is introduced， and the paper expounds the method and principle of the position measurement system in the reactor， analyzes its measuring accuracy and improvement method， and provides reference for the research and improvement of the equipment.

【關鍵詞】壓水堆；燃料組件；上管座；測量

【Keywords】pressurized water reactor； fuel assembly； top nozzle； measurement

【中圖分類號】TP391.7 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0183-02

1 引言

2008至2009年間，法國核電站先后發生3次燃料組件與上部堆內構件粘連的事件，反應堆大修換料前，起吊上部堆內構件時，受粘連的燃料組件隨上部構件一起，從堆芯內被抽起。事件存在著較大燃料組件損傷的風險，其處理過程極其困難和復雜，并造成大修工期的大量延誤。為避免發生類似事件，法國核電站在反應堆裝料后對堆內所有燃料組件上管座的定位情況進行測量，確保燃料組件上管座不會過度偏離理論位置。

本文對燃料組件的上管座堆內位置測量的目的和方法進行探討。

2 上管座堆內位置測量的目的

在核電壓水反應堆中，燃料組件處于堆芯下柵格板與上部堆內構件之間，燃料組件的下管座通過堆芯下柵格板的定位銷釘進行定位，組件下管座之間的間隙約為1mm，而燃料組件上管座則通過上部堆內構件下部的堆芯上柵格板定位銷釘進行定位，上管座之間的理論間隙為1.5mm。裝料期間，上部構件被移走，裝入堆芯的燃料組件僅下管座被堆芯下柵格板固定，而上管座處于自由狀態。輻照后的燃料組件存在一定的變形，導致堆芯燃料組件的上管座往往偏離了理論位置，根據計算，單方向最大可能偏移22.5mm。如果上管座偏離過大，安裝上部構件時，堆芯上柵格板定位銷可能無法順利進入燃料組件上管座的導向銷孔。

燃料組件上管座包含2個導向銷孔（S孔）和一個定位銷孔，S孔的直徑為22.3mm。上部堆內構件的堆芯上柵格板定位銷將插入2個S孔中，根據理論分析和實際測試，當燃料組件上管座偏離理論位置（即堆芯上柵格板定位銷中心線）超過8.5mm時，定位銷將無法順利進入S孔。

由于上部構件重量很大，在燃料組件上管座偏離理論位置大于8.5mm的情況下，堆芯上柵格板定位銷將與燃料組件上管座S孔發生干涉和擠壓，造成S孔和定位銷受損。在反應堆內高溫高壓作用下，二者的受損部位可能相互融合，最終“焊接”在一起。為了避免這種情況的發生，在上部構件安裝前，必須確保堆內所有燃料組件的上管座與理論位置的偏差不超過一定的限值。

3 上管座堆內位置測量的方法

堆內燃料組件上管座位置測量需要使用耐輻照的水下攝像機，拍攝燃料組件上管座的圖像，通過對圖像進行測量、分析，最終得出測量結果。

3.1系統構成

該系統一般由高耐輻照定焦水下攝像機、控制系統和測量軟件組成。換料機抓取水下攝像裝置，在堆芯燃料組件上方移動，對每一組燃料組件上管座進行拍攝，視頻圖像傳輸至水池上方的工控機。工控機中的測量軟件從視頻圖形中獲取上管座的位置信息，并從換料機獲取攝像機位置數據，從而計算出燃料組件上管座的實際位置，再與理論位置進行比較，得出上管座的位置偏差。

3.2 測量方法和原理

在測量開始前，需要對測量系統進行標定，包括：①圖像標定；②參照點標定。

圖像標定目的是確定監視器視頻中圖像的像素尺寸與物體實際尺寸的比例，為了標定的準確性，一般選取尺寸較大、邊緣清晰的目標，比如燃料組件上管座、板簧和S孔等實際尺寸已知的目標。標定前，需要調整攝像機與上管座的距離，使視頻圖像中能夠得到完整清晰燃料組件上管座圖像；圖像標定完成后，整個測量過程中不允許調整攝像裝置與燃料組件之間的距離。

零點標定是為了確定攝像機圖像零點，即確定視頻圖像坐標原點與換料機坐標的對應關系，一般取堆芯邊緣圍板夾角處作為零點標定參考點。移動換料機，將水下攝像機定位至標定參考點上方。測量軟件在視頻圖像上疊加顯示正方形光標，用于標記圖像中燃料組件上管座的位置。將光標移動至與參考組件上管座邊緣完全重合，即可進行零點標定。

完成標定后，移動換料機和水下攝像機，依次拍攝堆芯所有燃料組件上管座，用光標標記上管座的位置，即可得出上管座的實際位置坐標。以圖為例，X、Y為換料機大車和小車的坐標系，x，y為攝像機視頻圖像的坐標系，其零點為圖像左上角A。通過零點標定，可確定視頻圖像零點A在換料機坐標系中的坐標（X0，Y0），將其標定為換料機的大車和小車實際坐標。當攝像機移動到待測組件上方后，從換料機上讀取大車和小車坐標，即為圖像零點的坐標（X1，Y1）。用光標標記待測組件上管座，根據光標所在像素位置，以及圖像標定的結果，測量軟件可計算出待測組件上管座在視頻圖像坐標系中的坐標（xn，yn）。考慮到組件上管座尺寸為213.5mm×213.5mm，于是，待測組件上管座中心點的實際坐標為（X1+xn+106.75， Y1+yn+106.75）。

換料機坐標系中，堆內燃料組件中心點的理論坐標是已知的，將理論坐標輸入到測量軟件中，即可得到待測組件上管座在X和Y方向上的定位偏差和。于是，待測組件上管座綜合定位偏差為：

3.3 測量結果輸出

在完成堆芯全部燃料組件的測量后，上管座堆內位置測量系統的測量軟件將生成一份堆芯上管座定位圖和定位偏差列表，并自動篩選出測量結果超標的燃料組件上管座。

4 上管座堆內位置測量系統的誤差分析

系統測量精度與水下攝像機與上管座的距離、攝像機的像素和分辨率有關。攝像機與上管座越近，攝像機像素和分辨率越高，每一個像元代表的實際距離越小，精度越高，而且上管座在視頻圖像中顯示越大，上管座邊緣識別越準確。以213.5mm×213.5mm的上管座占成像面積的90%計算，1/3英寸傳感器，9mm定焦鏡頭，在未細分像素的情況下，每一像元代表實際距離為0.4mm，通過4細分模塊后，每一個亞像元代表的實際距離為0.1mm。

系統誤差還與零點標定精度、測量光標定位精度有關。零點標定誤差將導致所有上管座偏差測量數據產生整體偏差。測量光標定位產生隨機誤差，假設用戶測量誤差為3～5個亞像元，則系統測量精度為0.3～0.5mm。為提高標定和定位精度，可采用智能識別技術，根據上管座的特征部件，首先由測量軟件自動識別和定位測量光標，然后由用戶進行微調。智能識別可顯著提高測量效率。

實際使用中，堆芯水流擾動、換料機伸縮套筒低頻晃動、燃料組件周圍溫度分布不均、水下光照度和光線角度等因素都會對測量精度造成影響，應采取技術手段盡量消除這些不利影響。

5 結論

上管座堆內位置測量系統，提供了一種測量核電反應堆中燃料組件上管座定位偏差的可行方法，對及時識別和處理定位超差組件，避免上部堆內構件與燃料組件上管座干涉有著重要的意義。該系統可直接利用在核電站普遍使用的高耐輻照水下攝像機，與換料機配合使用，從換料機獲取理論坐標和實際坐標，系統簡單，設計巧妙，操作簡便。提高圖像分辨率、增加軟件圖像抗干擾處理、改善軟件智能識別，有助于提高測量精度和測量效率。