反應(yīng)堆乏燃料棒的X射線數(shù)字成像檢測工藝及其應(yīng)用

湯 琪，王華才，梁政強(qiáng)

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

核燃料棒是核電站反應(yīng)堆的核心部件，其一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，從反應(yīng)堆卸出的乏燃料經(jīng)過高溫、高壓、中子輻照以及水、蒸汽腐蝕的作用，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料性能發(fā)生了很大變化。由于各種原因，針對乏燃料棒的X射線檢查目前還不能在反應(yīng)堆內(nèi)或者乏燃料儲存水池邊開展，只能將其從組件中取出后再運(yùn)輸?shù)綄ｉT的輻照材料檢驗(yàn)熱室進(jìn)行檢測。

圖1 核反應(yīng)堆乏燃料棒一般結(jié)構(gòu)示意

輻照后的燃料棒具有很強(qiáng)的放射性，膠片成像存在提前曝光以及頻繁更換膠片會對人員造成輻射等缺點(diǎn)，而數(shù)字成像已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用[1]，具有許多優(yōu)勢，可以避免膠片成像的上述缺點(diǎn)。筆者將X射線數(shù)字成像技術(shù)應(yīng)用于強(qiáng)放射性燃料棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測中，建立了成像裝置，并通過分析確定了工藝參數(shù)，利用缺陷模擬件校驗(yàn)后，可將其用于實(shí)際樣品檢驗(yàn)中。

1 檢測原理

需要檢測的商用反應(yīng)堆燃料棒一般長度約為3 m，外包殼為鋯合金，直徑約為10 mm，內(nèi)部UO2芯塊外徑約為8 mm，需要通過X射線成像獲得芯塊輻照后內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化等信息。燃料棒在X射線穿透方向上的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燃料棒在X射線穿透方向上的結(jié)構(gòu)示意

X射線數(shù)字成像技術(shù)的基本原理與膠片照相法的基本相同，都是利用射線在被透照物體中的衰減或透射；而兩者最大不同之處在于記錄介質(zhì)及其對影像的處理方法。

燃料棒X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)利用線陣探測器接收透射射線，通過掃描將X 射線的一行光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，傳送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理，并在圖像顯示器上顯示出來。隨著燃料棒和探測器之間的相對運(yùn)動，線陣探測器一行一行掃描得到的數(shù)據(jù)就形成了一幅動態(tài)的檢測圖像，從而完成整根燃料棒的成像過程。

2 檢測裝置與工藝參數(shù)

2.1 檢測裝置

輻照后的燃料棒具有很強(qiáng)的放射性，需要在專門的場所進(jìn)行檢測，反應(yīng)堆燃料棒的X射線數(shù)字成像檢測裝置如圖3所示，包括熱室、移動小車、臺架、射線機(jī)、線陣探測器以及控制系統(tǒng)及成像軟件等。

圖3 反應(yīng)堆燃料棒的X射線數(shù)字成像檢測裝置示意

檢測前，燃料棒被放進(jìn)熱室并裝夾在移動小車上。成像時(shí)，熱室中的移動小車帶動燃料棒在臺架上左右移動，射線機(jī)產(chǎn)生的X射線經(jīng)過準(zhǔn)直照射燃料棒，線陣探測器接收透過的射線并轉(zhuǎn)化成圖像信息在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示，移動小車上配有旋轉(zhuǎn)卡盤，可以帶動燃料棒旋轉(zhuǎn)至任意角度。檢測過程中，可通過調(diào)節(jié)小車的移動速度、焦距(射線機(jī)升降)、透照電壓和電流等參數(shù)獲得高質(zhì)量的圖像。

2.2 輻射屏蔽

作為X射線數(shù)字成像的關(guān)鍵部件，其系統(tǒng)中使用的線陣探測器為德國NTB公司生產(chǎn)的SEZ W3-80線陣探測器，其采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)，具有高靈敏度和分辨率[2]，但同時(shí)也是整個(gè)試驗(yàn)裝置中最易受燃料棒輻射影響和破壞的部件。

相較于射線機(jī)產(chǎn)生的X射線，輻照后的燃料棒發(fā)出的γ射線能量更高。一方面會對成像圖像產(chǎn)生干擾；另一方面，較強(qiáng)的γ射線會使探測器電子器件受輻照損傷而失效。根據(jù)線陣探測器的結(jié)構(gòu)(見圖4)，其上部已經(jīng)由兩塊厚度約為20 mm的鎢合金塊覆蓋，如果只留約2 mm的縫隙接收射線，則既可以減少成像區(qū)域外的射線對探測器和圖像的影響，提高成像質(zhì)量，又可以保護(hù)電子元器件免受輻照損傷；而對于探測器四周屏蔽薄弱的部分，則需要增加足夠厚度的鉛進(jìn)行防護(hù)。

圖4 線陣探測器外觀

2.3 工藝參數(shù)分析

X射線數(shù)字成像系統(tǒng)中的相關(guān)參數(shù)如表1所示，實(shí)際檢測過程中需要根據(jù)燃料棒的特點(diǎn)對參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表1 X射線數(shù)字成像檢測裝置中的相關(guān)參數(shù)

2.3.1 透照電壓

由于組成燃料棒的各種結(jié)構(gòu)密度相差較大，所以對X射線的吸收系數(shù)相差較大，實(shí)際檢測時(shí)，一般根據(jù)所要觀察對象的不同選擇透照電壓。當(dāng)觀察包殼管、包殼管與芯塊之間的間隙、芯塊與芯塊之間的間隙以及彈簧是否壓緊時(shí)，選擇200 kV左右的較低透照電壓；當(dāng)觀察燃料芯塊開裂情況時(shí)，選擇400 kV左右的較高透照電壓。

2.3.2 幾何不清晰度

使用X射線數(shù)字成像裝置，系統(tǒng)的固有不清晰度主要由線陣成像器的像素尺寸決定；而焦點(diǎn)和焦距的選擇則決定了系統(tǒng)的幾何不清晰度，幾何不清晰度Ug的計(jì)算方法如式(1)所示，在一定條件下選擇小的焦點(diǎn)尺寸，并適當(dāng)增加焦距可減小幾何不清晰度。

Ug=df×b∕F

(1)

系統(tǒng)使用的射線機(jī)焦點(diǎn)最小尺寸df為0.4 mm，焦點(diǎn)至工件表面的距離F通常選擇為600 mm。由于探測器的像元尺寸較小，為了獲得較好的幾何不清晰度，所以選擇相對較小的放大倍數(shù)1.2，此時(shí)b為120 mm的情況下，幾何不清晰度Ug的理論值為0.08 mm，滿足燃料棒X射線檢查的要求。

2.3.3 運(yùn)動速度

通過調(diào)節(jié)臺架的運(yùn)行速度以及射線機(jī)電流的大小,可改變?nèi)剂习舻钠毓饬俊Ｍ瑫r(shí)，由于探測器必須有相對運(yùn)動才能成像，在運(yùn)動狀態(tài)下會產(chǎn)生運(yùn)動不清晰度，一般運(yùn)動速度越大，運(yùn)動不清晰度就越大，得到的圖像越不清晰[3]，因此成像時(shí)需要將燃料棒保持在相對較慢的移動速度下，選擇的燃料棒運(yùn)動速度為3 mm·s-1。

2.3.4 透照次數(shù)

為了不遺漏燃料棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，在每個(gè)電壓下，需要依次在360°范圍內(nèi)至少轉(zhuǎn)動燃料棒3次進(jìn)行成像，每次轉(zhuǎn)動120°。

3 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證及應(yīng)用實(shí)例

3.1 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

為了確定系統(tǒng)所獲得的圖像對于缺陷所能達(dá)到的分辨能力以及驗(yàn)證工藝參數(shù)的合理性，設(shè)計(jì)并加工了燃料棒人工缺陷試件(見圖5)，并在其上預(yù)制一定尺寸的人工缺陷。試件包殼管采用原始的鋯合金材料，端塞和彈簧材料為不銹鋼，隔熱塊材料為Al2O3，人工缺陷芯塊材料采用與UO2理論密度相近的鉬合金，芯塊與芯塊之間的間隙通過填充與芯塊等徑且不同厚度(0.1，0.2，0.3，0.4 mm)的有機(jī)玻璃進(jìn)行模擬。將機(jī)械加工出的不同種類和梯度尺寸的缺陷芯塊，分別用于模擬芯塊開裂、燃料中心熔化以及芯包間隙變化等(見表2)。

圖5 燃料棒人工缺陷試件結(jié)構(gòu)示意

表2 人工缺陷芯塊相關(guān)參數(shù) mm

按照上述分析的工藝參數(shù)，使用X射線數(shù)字成像檢測裝置對人工缺陷試件進(jìn)行成像，圖像中模擬燃料棒內(nèi)部燃料芯塊、彈簧等各部件的結(jié)構(gòu)均清楚顯示，且在預(yù)制的缺陷中，最小的芯塊間隙0.1 mm、最小的芯包間隙0.2 mm、最小的芯塊裂紋寬度0.2 mm以及最小的芯塊孔直徑0.4 mm均能看到，圖像分辨率滿足燃料棒輻照后的檢驗(yàn)要求。

3.2 應(yīng)用實(shí)例

作為反應(yīng)堆的核心部件，在高溫、高壓、中子輻照及腐蝕等苛刻環(huán)境中服役的燃料棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大的變化，X射線數(shù)字成像檢測可以提供諸如芯包間隙減少、彈簧松弛、芯塊缺失或碎裂等方面的信息，幫助評價(jià)燃料棒的服役性能。

同時(shí)，在破損燃料元件的失效分析方面，一般情況下導(dǎo)致燃料棒破損的原因主要有制造缺陷、格架磨蝕、異物磨蝕以及PCI(芯塊包殼相互作用)等，通過X射線檢測可以提供芯塊缺失、包殼氫化腫脹、包殼破損以及焊接部位變化失效等信息，幫助確定破口的位置并進(jìn)行破損原因的查找。

實(shí)際應(yīng)用中，X射線數(shù)字成像檢測裝置所獲得的燃料棒圖像很好地反應(yīng)了其各種內(nèi)部結(jié)構(gòu)或缺陷信息，對于評價(jià)燃料棒的性能以及分析破損燃料元件起到了很大的作用。圖6列出了一些X射線檢測中常見的完整及破損燃料棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的檢測圖像。

圖6 反應(yīng)堆燃料棒X射線數(shù)字成像檢測圖像

4 結(jié)語

研究表明，X射線數(shù)字成像檢測技術(shù)可以應(yīng)用于放射性較強(qiáng)的乏燃料棒檢測中，通過檢測裝置和工藝參數(shù)優(yōu)化，在圖像質(zhì)量滿足要求的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了輻照后材料的數(shù)字化檢驗(yàn)；在實(shí)際工作中，對于評價(jià)燃料棒的性能以及破損燃料元件的分析起到了很大的作用。