激光測徑儀的屏蔽改造及其應用

摘 要：激光測徑儀作為一種簡便、精確的尺寸測量手段，已在工業領域得到廣泛應用。由于激光測徑儀中的核心部件主要為光學及電子器件，因此其耐受γ射線照射的能力較低。為完成反應堆乏燃料棒的尺寸測量工作，對激光測徑儀進行了屏蔽改造，改造后的設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。

關鍵詞：激光測徑儀 屏蔽改造 乏燃料 尺寸測量

中圖分類號：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

燃料棒在反應堆內運行期間，在輻照、高溫等因素作用下，燃料棒會發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，燃料棒的直徑變化可能引起冷卻劑流道變化，進而對反應堆的安全運行產生影響，因此乏燃料棒尺寸是評價其運行性能的關鍵指標之一。長期以來，針對乏燃料棒的尺寸測量均采取了LVDT等接觸式測量方法，該方法需要對燃料棒表面施加一定的作用力，可能會破壞燃料棒表面的原始形貌，同時其測量準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較高。激光測徑技術作為近年來廣泛應用的測量技術，具有測量精度高、響應速度快、非接觸測量等優點，在乏燃料棒尺寸測量領域得到了關注。

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的激光發射器和激光接收器，激光發射器發zUmysVkZ3mTNeB4jnxDOIQ==出的激光束通過一組透鏡處理變成平行光，當被測物體擋住光束，在接收器上就有信號產生，通過光電傳感器將此信號傳到專用計算機處理器上，可讀出所測量的直徑值，其原理圖如圖1所示。

由其結構原理可知，激光測徑儀的關鍵部件包括光學鏡片和半導體器件。在進行放射性樣品的測量時，除信號處理器可遠距離布置外，其余部件均須近距離暴露在γ射線的照射下。而光學鏡片和半導體器件的耐輻照能力較低，其中光學鏡片在γ射線照射下會生成色心而導致其透光率下降[1]；半導體器件則會由于γ射線的電離損傷而失效。根據此前的使用經驗，吸收劑量達到約102Gy量級，即可引起光學玻璃的顯著變色和普通半導體器件的失效，而典型的乏燃料棒表面劑量率可高達每小時數Gy到每小時數十Gy的水平，因此未經改造的激光測徑儀無法在該環境下長期穩定工作。圖2展示了典型的光學玻璃在γ射線照射前后的透明度對比。

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的材料對激光測徑儀的外圍進行屏蔽，同時需保留激光束發射及接收的窗口。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元素的材料進行光子屏蔽，如鎢、鉛、不銹鋼等[3]。鈾金屬對于γ射線的屏蔽性能更為優異，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勢明顯[4]。但貧鈾材料需作為核材料進行管理，使用上存在較多不便。乏燃料棒在釋放γ射線的同時，也會通過自發裂變、（γ，n）等反應釋放快中子，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氫化合物，是目前最常用的中子屏蔽材料[5]，但其機械加工性能較差；同時，考慮到中子輻照對于整體輻射劑量的貢獻較低，且鎢合金對于1～12 MeV中子的慢化性能已好于普通聚乙烯[6]，因此本次屏蔽設計中不再單獨設置中子屏蔽層。根據這一原則，選取對γ射線吸收能力較強的鎢合金作為主要屏蔽材料，針對激光發射及接收窗口的設計則考慮了兩種方案。

方案1利用了反射測量的原理，如圖3所示。將激光測徑儀的發射及接收部件的相對位置進行了90°旋轉，并利用鎢合金材料進行整體包裹，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的方向，當平行光激光束進行90°的反射時，激光束的寬度不發生變化，因此進行了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延90°方向傳播，這就大大降低了激光發射及接收部件所受的射線照射。

方案1的優點在于鎢合金的屏蔽厚度可以設置較厚，當屏蔽厚度足夠厚時，激光測徑儀所在位置已幾乎沒有輻射劑量，其使用壽命可以達到在非放射性環境下使用的水平。但其缺點在于改造后的整體重量較重（屏蔽厚度約50 mm時，重量超過200 kg），因此與運動傳動機構的配合存在困難；同時，由于其測量精度和準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。針對方案1存在的不足，在保留有限屏蔽厚度的情況下設計了方案2。

方案2不改變激光測徑儀發射及接收部件的相對布置，采用有限厚度的鎢合金進行除光學窗口外的其余5面的屏蔽，對于光學窗口則采用了密度較高且在輻照環境下不易變色的鉛玻璃進行遮擋，如圖4所示。該方案下，由于激光發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行等效設計即可。

方案2由于屏蔽能力有限，因此只能對激光測徑儀的工作壽命進行一定程度的延長。但該方案改造后的設備重量較輕（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進行了屏蔽改造。該裝置在放射性環境下的累計工作時間約300 h，其所處環境的累計吸收劑量大于104 Gy，截至工作結束未出現功能失效的情況。為了驗證改造后激光測量裝置的準確性，設計加工了已知尺寸的參考棒對裝置進行校驗。參考棒共有7個不同直徑的臺階，經計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束后均使用激光測徑裝置對參考棒進行測量，結果如圖5所示。排除臺階過渡處加工的誤差，兩次測量結果顯示系統測量偏差值均在3 μm以內。

4 結論

針對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域。經放射性環境實測，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累計劑量照射后，測量不確定度仍可保持在3 μm以內，且測量結果與輻照前相比未發生明顯偏離。

參考文獻

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