高能X射線CT技術在輻照后核燃料組件檢測中的發展及應用

李建偉，何高魁，張向陽，謝 喬，肖 丹，唐利華

(1.中國原子能科學研究院，北京 102413；2.中國輻射防護研究院，山西 太原 030006)

反應堆運行過程中，燃料組件在高溫、高壓、強中子輻射場等復雜環境下，燃料棒中燃料芯塊會發生畸變和腫脹，引起包殼管徑向和軸向變形，嚴重時可能導致包殼管破裂，這些現象會嚴重威脅反應堆的安全運行。為了研究反應堆燃料組件的安全性和完整性，了解其熱力學性能和機械性能，必須定期對輻照后燃料組件進行檢測，以便燃料設計人員，燃料制造人員和反應堆操作人員根據檢查結果對燃料組件的相關性能進行分析和改進[1]。輻照后燃料組件檢測技術通常分為破壞性檢測技術和非破壞性檢測技術(無損檢測技術)。無損檢測技術可以在不破壞燃料組件的前提下原位測量組件的結構及成分變化信息等[2]，是輻照后燃料組件檢測的重要手段。用于核電站輻照后燃料元件檢測的主要無損檢測技術有超聲波測量、渦流測量、射線照相測試、聲學技術等，這些技術雖能判斷燃料組件中燃料棒是否存在破損或缺陷，但檢測精度相對較差，無法滿足高精度缺陷檢測的要求[3-4]。基于直線加速器的高能X射線工業CT具有穿透力強、缺陷檢測靈敏度高等優點，可以滿足大型復雜結構檢測的需要，利用圖像可視化可以獲得被檢物品定量、三維的信息，從而能夠定位和確定被檢物品缺陷的大小，目前已被廣泛應用于高速鐵路、大型飛機、運載火箭等領域幾何尺寸較大、密度較高、具有較高價值的工件檢測中[5-7]。但與其他大型工件相比，輻照后燃料組件由于具有等效鋼厚大、自身具有強放射性等特點，無法利用常規的高能工業X射線CT進行檢測。從上世紀90年代至今，日本對高能X射線CT技術在輻照后燃料組件檢測方面進行了大量的研究工作，并于 21世紀初研制出世界上首臺用于快中子增殖反應堆輻照后燃料組件檢測的高能X射線CT裝置，之后多次對裝置的硬件和軟件進行升級，拍攝出了世界上最高分辨率的燃料組件X射線CT圖像[2-3]，并借助各種圖像分析手段分析燃料棒及燃料組件的熱性能、機械性能等，同時日本也是目前唯一將高能X射線CT技術應用于反應堆燃料組件現場檢測的國家[8-17]。與破壞性輻照后檢測和無損檢測技術相比，將高能X射線CT技術應用于輻照后燃料組件檢測中，具有在短時間內獲取大量輻照后檢測數據、降低輻照后檢測成本、減少放射性廢物產生量、物理保護核材料等優點。目前我國可實現入堆前、后的單根燃料棒的二維數字成像檢測，但還沒有能夠對燃料組件進行整體檢測的高能X射線檢測裝置。中國原子能科學研究院目前正在進行相關方面的研究工作，但尚未形成商業化產品[1]。本文對日本近幾十年來的相關研究成果進行介紹與分析討論，希望能為今后相關研究工作提供參考。

1 高能X射線CT裝置組成及工作原理

圖1 X射線CT裝置原理示意圖[21]

X射線CT裝置一般由X射線源、X射線探測器、準直器、機械掃描系統、計算機系統(硬件及軟件)及其他輔助系統等組成。圖1為日本“JOYO”快中子反應堆內安裝的高能X射線CT裝置原理示意圖，該裝置使用12 MeV電子加速器作為X射線源，X射線探測器為圓弧形線陣探測器(由若干個像素緊密排列連接而成)。裝置的掃描方式為只旋轉(RO)掃描。

裝置工作時，燃料組件被豎直固定在X射線源與X射線探測器之間，X射線源、準直器及X射線探測器均位于預掃描的燃料組件徑向截面位置處，X射線經前準直器準直成扇形束后穿透燃料組件，被對面的X射線探測器接收，X射線的不同衰減程度反映了燃料組件的內部信息。燃料組件與探測器之間的后準直器用于降低探測器像素之間的串擾率以及保護探測器少受輻照后燃料組件自身γ射線的影響。準直器一般由鉛、鎢等重金屬材料制成。傳統后準直器通常由水平準直器和垂直準直器組成。水平準直器位于重建圖像的平面內，其準直縫寬度決定了被檢物體的切片厚度。垂直準直器位于重建圖像的垂直平面內，其上切有一組準直縫，準直縫數目與探測器像素數目相同并一一對應，準直縫越窄，重建圖像的空間分辨率越高。探測器接收的信號經模/數轉換成數字信號后發送給計算機。在RO掃描過程中，計算機系統控制機械掃描系統使X射線源、準直器和探測器旋轉以獲得成像所需多個角度的完整投影數據。計算機軟件系統負責對所獲數據進行處理、重建得到二維CT圖像。燃料組件二維CT圖像示意圖如圖1右下角小圖所示。

2 日本高能X射線CT裝置

21世紀初，日本O-arai研發中心研發出用于快中子反應堆輻照后燃料組件無損檢測的高能X射線CT系統，并將其安裝于“JOYO”快中子試驗堆大洗工程中心，該系統剖視圖示于圖2[8]。整個系統的操作和控制均在熱室中進行，熱室位于 CT測試間上層，可以保護工作人員不受強輻射的傷害。

系統檢測時，通過升降機將燃料組件吊入圓柱形金屬導管后使燃料組件順著導管方向下降到預掃描的燃料組件徑向截面位置處。加速器發射的脈沖X射線照射燃料組件，穿透燃料組件的扇形X射線束被寬0.3 mm、長2 mm、深230 mm的后準直器分割成30個通道，然后由相應的CdWO4閃爍體探測器測量每個通道的X射線強度。X射線源系統、準直器和探測器可以在掃描裝置的作用下圍繞導管水平旋轉。該系統的所有子系統均由熱室內計算機控制，可在任意截面上拍攝燃料組件的CT圖像，20 min內即可獲得1張CT圖像。在此之后，為了獲得更高分辨率的圖像，對系統進行了多次升級，升級前后系統硬件變化列于表1[9]。

圖2 高能X射線CT系統剖視圖[8]

表1 X射線CT裝置升級前后系統硬件對比表

首先將X射線束的形狀由圓形改為橢圓形，可以獲得盡可能平行的X射線束，使X射線束的形狀更為接近準直器準直縫的形狀，從而提高X射線的利用率。之后，將準直器的準直縫寬度由0.3 mm減小為0.1 mm，使CT圖像的一個像素尺寸從0.3 mm×0.3 mm減小為0.1 mm×0.1 mm，使CT的圖像分辨率提高。最后，將X射線探測器由CdWO4閃爍體探測器改為硅半導體探測器，硅半導體探測器具有比CdWO4閃爍體探測器更高的探測靈敏度，探測器的厚度從3 mm減至1 mm，使探測器的探測通道數從30個增加為100個。升級后裝置獲得的CT圖像分辨率從1 024×1 024增加至4 700×4 700。文獻[8]中使用尺寸已知的模擬燃料組件對升級前、后系統的成像效果進行了對比，系統升級前、后在模擬燃料組件同一徑向截面下拍攝的X射線CT圖像示于圖3。從圖3中可以看出，升級后裝置獲得的X射線CT圖像比升級前清晰，可以更加明顯區分出直徑0.3 mm的人為孔洞和燃料棒與外套管之間的間隙。

a——系統升級前；b——系統升級后

對比升級前、后系統的硬件參數發現，系統的空間分辨率主要取決于射線源焦點尺寸、探測器類型、探測器孔徑、探測器數量、機械系統的精度等。在設計系統前，必須綜合考慮這些參數，以使系統能達到最理想的檢測效果。

3 X射線CT技術在燃料組件檢測分析中的應用

3.1 燃料組件樣品

“JOYO”快中子試驗堆中使用的燃料組件及其燃料棒外觀示于圖4。燃料組件是由127根燃料棒組成的燃料棒束和一個六角形外套管組成，組件內燃料棒采用正三角形矩陣排列，螺旋形金屬繞絲將燃料棒互相隔開，形成冷卻劑流道。

a——燃料棒；b——燃料組件

燃料組件的主要規格參數列于表2。燃料棒中的燃料芯塊是直徑為4.63 mm、高為5 mm的鈾、钚混合氧化物(MOX)燃料。燃料棒的長度為1 533 mm，燃料組件外管套及燃料棒包殼均為不銹鋼材料，燃料棒中MOX燃料芯塊的總長度為550 mm，部分空間放置貧化UO2燃料芯塊，剩余部分為裂變氣室儲存腔室。相鄰燃料棒之間用金屬繞絲維持間隙，金屬繞絲被繞在每根燃料棒表面，繞絲的兩頭分別固定在燃料棒的上下端塞上。

表2 燃料組件主要規格參數表

3.2 外套管形變檢測

圖5 外套管平行面間距離隨管面相對位置的變化曲線[11]

燃料組件外套管是反應堆堆芯中最重要的部件。在堆芯輻照環境中， 多種因素會引起套管的形變：如冷卻劑壓差引起的外套管形變，高溫熱膨脹引起的外套管形變，高中子通量造成材料輻照損傷引起的外套管形變等。通過對燃料組件外套管進行形變檢測、分析，可為堆芯結構、物理等方面的分析設計提供輸入參數和安全評估依據[20]。為了觀察輻照過程中燃料組件的外套管形變情況，文獻[11]利用檢測裝置在距燃料組件最底端1 540.8 mm處獲得燃料組件的徑向截面圖像，對截面圖像測量后繪制出燃料組件外套管在該高度處平行管面(圖5中燃料組件六角形外套管A管面和D管面)之間距離隨管面相對位置(將燃料組件六角形外套管A管面或D管面相對位置范圍定義為0～40 mm)的變化曲線，如圖5所示，圖中所標尺寸均為被檢燃料組件樣品的等比例縮放尺寸。

由圖5可以看出，輻照后燃料組件外套管管面從兩端到中間處逐漸向外鼓起，兩端位置未發生變化。而如果外套管是因受熱發生膨脹，則外套管兩端位置也應變化。由此分析，外套管變形并非是輻照過程中受熱膨脹引起，而是由外套管內外兩側冷卻劑壓力差引起的蠕變。

3.3 燃料棒移位與形變檢測

圖6 輻照后燃料組件中各燃料棒水平方向上的移位示意圖[11]

在輻照或徑向流作用下，燃料組件中的燃料棒可能發生移位和形變，這些變化會影響冷卻劑的流動特性。為了深入研究燃料棒移位對冷卻劑流動的影響，燃料棒之間的子通道區域(即冷卻劑流動的通道)需被確定。為此，必須首先準確確定燃料組件中每根燃料棒的移位和形變程度。文獻[11]利用檢測裝置在距輻照后燃料組件底部1 749.8 mm高度處獲得燃料組件的徑向截面圖像，通過與輻照前燃料組件及其燃料棒的原始位置進行對比，繪制出輻照后燃料組件中各燃料棒的移位示意圖示于圖6，圖中由各燃料棒中心起始繪制的黑線方向和長度分別表示相應燃料棒位移的方向和距離。從圖6中可以看出，燃料組件中緊鄰外套管的幾列燃料棒普遍向外偏移，特別是緊鄰外套管A、B、C和F管面的燃料棒移動較為明顯，這種棒位移的不均勻分布歸因于金屬繞絲的影響，緊鄰D、E管面的燃料棒向外移位恰好被金屬繞絲阻止。

為了進一步研究金屬繞絲對燃料棒形變的影響，利用檢測裝置沿燃料組件軸向等間隔拍攝一系列二維徑向截面圖像，并以此為基礎繪制燃料組件中一對角線上分布的三根燃料棒各自在軸向上的形變曲線，如圖7所示，圖中左上角小圖給出“a”、“b”、“c”三根燃料棒在燃料組件中的相對位置。由圖7可見，金屬繞絲所在位置處燃料棒的移位比較明顯，說明金屬繞絲張力是造成燃料棒移位的一個重要原因。

圖7 輻照后燃料棒在軸向上的形變曲線[11]

3.4 燃料芯塊中心空洞檢測

燃料組件在輻照過程中，燃料棒中燃料芯塊的徑向溫度梯度較大，受此影響，分布在燃料芯塊內的氣孔開始向中心移動，導致中心空洞的形成，并在芯塊上留下柱狀紋理，觀察中心空洞的直徑有助于分析燃料組件的溫度分布。

文獻[8]利用檢測裝置在距燃料組件底部275 mm的軸向位置處獲得輻照后燃料組件的徑向截面圖像，如圖8a所示，為了觀察更為細致的結構，以最高線性加熱速率輻照后的中心燃料棒為例，可對其徑向截面圖像進行放大，如圖8b所示。圖中可以更加清晰的區分金屬繞線、包殼、芯塊和中心空洞等。在X射線CT檢查后拆卸燃料組件，切割上述中心燃料棒并對其切面進行金相分析(圖8c)。對兩種方法獲得的燃料棒中心空洞直徑進行測量，測量結果表明，X射線CT測量的中心空洞直徑與金相學測量的中心空洞直徑僅相差0.05 mm，說明X射線CT技術和金相學方法成像效果相差不大，但與金相學方法相比，X射線CT成像技術明顯省時省力。

此外，X射線CT技術與金相學方法相比，能更精確地評估輻照后燃料芯塊中的密度的徑向分布。在X射線CT評價中，可根據密度與CT值的關系，繪制輻照后燃料芯塊的密度分布圖，示于圖9[8]。圖中可以看出，燃料棒中心空洞周圍區域的密度高于外部區域的密度，低密度區域同心分布在高密度區域周圍。

3.5 燃料組件的三維成像分析

利用檢測裝置沿軸向等間隔拍攝一系列燃料組件二維CT圖像，并通過三維重建算法將這些二維CT圖像合成為燃料組件的三維CT圖像。借助三維CT圖像可以從任何角度清楚地觀察燃料組件的內部和外部結構，使分析燃料棒的形變、微觀結構變化以及燃料組件異常等問題變得簡單。其中，三維CT圖像的軸向空間分辨率很大程度上取決于二維CT圖像的取樣間隔。燃料組件軸向中心區域的中子注量最大，燃耗最深。因此在研究燃料性能時，軸向中心區域最需要關注。文獻[15]在燃料組件軸向中心±5 mm的范圍內以1 mm為間隔分別拍攝10幅二維徑向CT圖像，合成為三種不同的三維CT圖像，示于圖10。 圖10(a)和圖10(b)是將燃料組件沿軸向切成幾乎相等的兩半后，呈現的其中一半燃料組件的三維CT圖像。圖10(a)是留有燃料棒包殼和外套管的燃料組件的三維CT圖像，可以觀察包殼外表面情況。圖10(b)是去掉包殼和外套管，只留有燃料芯塊的燃料組件的三維CT圖像，可以觀察燃料芯塊的表面情況。圖10(c)是將燃料組件沿軸向切成相等的兩半后，呈現其中一半燃料組件的三維CT圖像(去掉包殼和外套管)，燃料芯塊中心空洞清晰可見，通過中心空洞的大小可以估計燃料棒輻照的溫度。另外，通過三維CT圖像可以更方便的檢測燃料棒的變形、棒-管相互作用等。

a——燃料組件X射線CT圖像；b——特定燃料棒的X射線CT放大圖像；c——特定燃料棒的金相圖像

圖9 通過分析X射線CT圖像得到的燃料芯塊密度分布[8]

圖10 輻照后燃料組件的三維CT圖像[15]

4 結論與討論

文中介紹了由日本原子能機構開發的輻照后燃料組件高能X射線CT檢測裝置的工作原理、研究現狀、應用實例等。使用這種高分辨率X射線CT技術可以在輻照后燃料組件的截面上獲得清晰的二維CT圖像，能清楚地觀察燃料組件的外套管、金屬繞線、包殼、燃料芯塊和中心空洞等。由此可間接評估燃料芯塊中心空洞直徑、燃料棒的形變、照射后芯塊密度徑向分布等情況。另外，可以通過組合多個二維圖像來獲得三維圖像，實現在不拆卸燃料組件的情況下更加直觀地分析燃料組件及其燃料棒的熱性能和機械性能等。

在實際設計輻照后燃料組件高能X射線CT檢測裝置過程中，要使裝置成像質量達到理想效果，以下關鍵技術問題應該有效解決或優化。

(1) 輻照后燃料組件自身具有強的輻射，在保證防護良好的前提下盡量選用束流強度較大的加速器，并使加速器工作在脈沖狀態下，探測器與加速器同步開關，這樣能使燃料組件自身輻射的影響大大減弱。其中，加速器脈沖頻率與脈沖寬度設置合適與否是影響裝置信噪比好壞的一個重要因素，必須盡可能優化。

(2) 高能X射線CT裝置采用的射線源為加速器，加速器發射的X射線能譜具有多色性，這種連續能譜的X射線會引起衰變過程中的能譜硬化，導致各種與硬化相關的偽像[18]。為此，有必要設計專用的射線過濾器使到達探測器的射線強度變得均勻。然而射線過濾器會造成射線強度減弱，對測量非常不利，在設計時應折中考慮各個方面的影響。

(3) 高能X射線探測裝置通常選用閃爍體晶體陣列探測器作為探測系統的關鍵部件，相鄰閃爍體晶體排列緊密，單個晶體僅有數毫米厚，且電子加速器產生的X射線能量較高。在測量X射線時，相鄰探測單元之間容易產生串擾。傳統后準直器可以減小部分串擾，但燃料組件活性區比較長，其輻射出的一部分光子可以不經過后準直器而直接進入探測器，從而產生很大的噪聲信號。因此，需要對后準直器進行優化設計，減弱燃料組件自身輻射帶來的影響。可以參考文獻[1]對后準直器進行優化，使燃料組件自身輻射的γ射線盡可能少的進入探測器，以進一步降低燃料組件自身輻射的干擾。另外，為了進一步降低相鄰探測單元之間的射線串擾可以考慮在各相鄰閃爍體之間設置采用重金屬制作的隔離層。隔離層設計同樣也是CT裝置設計的一項關鍵技術。

(4) 傳統CT 圖像重建算法是基于單能射線提出，而加速器通過軔致輻射產生的X射線是多能量的射束，采用探測系統采集到的多色投影數據進行圖像重建易產生杯狀偽影和條狀偽影[19]，使圖像質量降低，影響CT值的標定，從而影響燃料組件的診斷。研究及優化能夠盡可能降低圖像偽影的校正算法也是需要解決的問題。