300MW燃料棒隔熱塊γ掃描數據處理方法改進

李陣德 宋磊 楊森 李梓晗

摘? ?要：根據歷年來對300MW燃料棒γ掃描檢測發現，在燃料棒γ掃描檢測中存在隔熱塊檢查結果的誤判現象，主要存在隔熱塊測量計數值超限或位置錯誤等的誤判。本文通過對隔熱塊數據處理方法的改進，解決了隔熱塊上述類型的誤判現象，結果表明改進后的數據處理與判定方法可以進一步提高300MW燃料棒對隔熱塊檢測的可靠性。

關鍵詞：300MW燃料棒? 隔熱塊? γ掃描

中圖分類號：TL364? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0081-02

1? 燃料棒γ掃描檢測裝置

241Am γ射線檢測裝置實現300MW燃料棒內UO2芯塊間隙、彈簧空腔和上下端隔熱塊的檢測，檢測裝置由241Am放射源、NaI探測器、傳動裝置、上下料機構、控制機構、核電子儀器和計算機測量與數據處理軟件組成。燃料棒γ掃描檢測裝置示意圖見圖1。

2? 燃料棒內零部件排列狀態γ掃描測量原理

300MW燃料棒內UO2芯塊間隙、彈簧空腔和上下端隔熱塊采用γ射線吸收法檢查。利用241Am γ放射源所放出的能量為59.5KeV特征γ射線，對燃料棒掃描[1]。當燃料棒勻速通過放射源時穿過燃料棒的γ射線被探測器獲得，由于γ射線對不同材料的吸收系數有差異，則穿過不同材料后的γ射線強度有一定變化，根據測得的γ射線計數值與標準棒的對應位置計數值比較后來判定燃料棒內UO2芯塊、隔熱塊和彈簧空腔是否滿足燃料棒技術要求[2]。

3? 300MW燃料棒γ掃描

3.1 300MW燃料棒γ掃描

圖2為300MW燃料棒內填裝的彈簧和隔熱塊實物圖像，被測燃料棒通過檢測裝置掃描后可獲得圖3的燃料棒內部γ計數分布圖譜，從中可看到，燃料棒內不同材料其測得的γ計數值不完全相同，從Y軸可以看到UO2芯塊的γ計數值很低，其γ射線大部分被它吸收，彈簧區域由于存在一定的空腔它吸收的γ射線較少，其測得的計數值比UO2芯塊要高，隔熱塊與芯塊大小一致但密度比芯塊要小，因此它測得的γ計數值也比較高，這樣根據不同零部件測量得到計數值差異來判定隔熱塊等零部件在燃料棒中的位置和大小是否與標準棒一致。

3.2 300MW燃料棒下端隔熱塊γ掃描測量

從圖3中掃描數據可看出，下端隔熱塊填裝于芯塊端部與下端塞之間，其兩端材料的密度很高，很容易判斷找到其起始點和終止點，其下端隔熱塊局部掃描數據見圖4，從圖4中可以很容易分辨出隔熱塊的掃描數據。

3.3 300MW燃料棒上端隔熱塊γ掃描測量

300MW燃料棒上端隔熱塊填裝于上端芯塊柱的端部與壓緊彈簧之間，為了調整空腔長度，可以用10mm或者5mm隔熱塊填裝，由于彈簧和隔熱塊的吸收γ射線的能力相當，因此它們的掃描數據相差不大，僅僅依靠彈簧端部幾圈密實區的掃描數據差異來分辨。當填裝5mm的隔熱塊時其數據的分辨會更難，甚至不能分辨出來，這給300MW燃料棒隔熱塊γ掃描帶來了誤判。

4? 300MW燃料棒隔熱塊測量結果分析

4.1 300MW燃料棒隔熱塊γ掃描結果誤判現象

較早對300MW燃料棒隔熱塊采用與標準棒隔熱塊所對應的γ計數累計值進行判定，根據標準棒測量數據計算出10mm和5mm隔熱塊所對應的判廢限來判定被測燃料棒隔熱塊大小是否一致，這一判定方法對于相同密度隔熱塊來說可以適用，當隔熱塊產品出現其密度波動時，其γ掃描獲得隔熱塊的γ計數累計值也會出現波動，導致被測得的隔熱塊計數累計值超出判廢上限或低于判廢下限。

另外在上端隔熱塊數據處理上單純尋找彈簧計數值與隔熱塊計數值臨界點的最低點時容易出錯，因為最低點不一定是真正要找的臨界點，導致隔熱塊的位置找錯會產生一定誤判。

4.2 隔熱塊密度差異γ掃描結果分析

熱塊的測量要求是要檢查它的位置及塊數是否符合技術要求，隔熱塊的判定是以測量隔熱塊的累計計數值與標準棒計算出判廢限進行比較來判定，從歷年測量情況看這種判定方法存在誤判的缺陷，在隔熱塊其密度不一致時，其γ掃描得到的計數累計值也不一樣，這樣與標準棒隔熱塊判廢限比較會導致超限而誤判。以10mm隔熱塊為例，找到了兩種密度與標準棒不一致隔熱塊的產品各一支重復測試20次。

分析測試結果表明，對于低密度隔熱塊重復測量數據中存在超出隔熱塊判廢上限現象。高密度隔熱塊測量中也存在低于判廢下限的現象。因此，用計數法來判定隔熱塊就存在這一誤判缺陷。

4.3 隔熱塊與彈簧位置定位錯誤結果分析

300MW燃料棒的上端隔熱塊填裝于上端芯塊柱與壓緊彈簧之間，為了調整空腔長度，這個位置允許填裝1塊10mm或5mm的隔熱塊，當填裝5mm隔熱塊時由于其測量計數值與彈簧計數值差異不大，而且難以區別其準確位置，出現誤判的幾率就增大。由于原有判定上端隔熱塊主要是找出彈簧計數值與隔熱塊計數值最低點來定位隔熱塊的起始點，而γ掃描測量計數值統計漲落較大，往往找到的臨界點不是隔熱塊的起始點，這樣有可能把10mm隔熱塊由于起始點定位錯誤判定2塊或者1塊5mm，也有把5mm為判定為1塊10mm誤判現象。

因此，要測量出上端隔熱塊就必須準確定位隔熱塊與彈簧臨界點，才能準確測量出隔熱塊。從圖4的上端隔熱塊掃描圖譜可看到，10mm隔熱塊計數值比彈簧計數值高，而5mm隔熱塊的計數值與彈簧計數值相對一個水平，給上端隔熱塊的測量帶來了困難。

5? 改進隔熱塊γ掃描的數據處理

5.1 采用計數點處理隔熱塊數據

用計數值判定法改為計數點判定法，即原來對隔熱塊起始點與終止點之間所有點的計數值進行累計后判定，現在采用隔熱塊起始點與終止點之間所有點的點數進行累計后判定。用計數點的方法可以完全消除因隔熱塊密度變化的影響，而且用計數點方法處理后可以直接計算其隔熱塊長度。通過與標準棒計算隔熱塊長度的判廢限來判定被測燃料棒，用密度與標準棒不一致產品重復測試20次。

5.2 優化隔熱塊定位

雖然分辨彈簧與上端隔熱塊臨界點存在困難，但從掃描數據分析可看出，在彈簧與上端隔熱塊結合處其掃描數據有一定趨勢，由于上端隔熱塊與彈簧端部接觸處其彈簧端部幾圈比較緊密，給區分它們之間的臨界點創造了機會，雖然γ射線統計漲落較大，但通過蒙特卡羅規律和數據平滑處理原理可以準確定位它們的臨界點，保證上端隔熱塊精準測量[3]。

6? 結語

通過改進300MW燃料棒隔熱塊γ掃描數據處理方法以及對掃描數據精準定位，可以準確確定下端和上端隔熱塊長度和位置，解決了對隔熱塊測量的誤判。

采用點數法判定隔熱塊可以完全消除受隔熱塊密度不一致的影響。采用蒙特卡羅規律和掃描數據平滑原理進行優化數據處理方法，能精準判定出隔熱塊位置及計算其長度值。通過以上改進可進一步提高對隔熱塊測量可靠性，減少隔熱塊測量的誤判產生。

參考文獻

[1] 劉蘭華，劉南陔.無損檢測技術在核工業中的應用[M].北京：原子能出版社，1999.

[2] 鄧景珊，朱國勝，周呈方，等.新一代核燃料棒UO2芯塊間隙檢測設備研制[J].核電子學與探測技術，2004（2）：121-125.

[3] 肖剛，李天柁.系統可靠性分析中的蒙特卡羅方法[M].北京：科學出版社，2003.