x射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)在燃料棒輻照檢測(cè)中的應(yīng)用

x射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)在燃料棒輻照檢測(cè)中的應(yīng)用

燃料桿是核電站梁?jiǎn)⒊暮诵牟考?。圖1顯示了一般結(jié)構(gòu)。從堆棧中提取的不足燃料通過(guò)高溫、高壓、中性陽(yáng)光和水和蒸汽腐蝕而變化。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(duì)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(chǔ)存水池邊開(kāi)展，只能將其從組件中取出后再運(yùn)輸?shù)綄?zhuān)門(mén)的輻照材料檢驗(yàn)熱室進(jìn)行檢測(cè)。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(huì)對(duì)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燃料棒x射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)需要檢測(cè)的商用反應(yīng)堆燃料棒一般長(zhǎng)度約為3m，外包殼為鋯合金，直徑約為10mm，內(nèi)部UOX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(duì)影像的處理方法。燃料棒X射線數(shù)字成像檢測(cè)技術(shù)利用線陣探測(cè)器接收透射射線，通過(guò)掃描將X射線的一行光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(lái)。隨著燃料棒和探測(cè)器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線陣探測(cè)器一行一行掃描得到的數(shù)據(jù)就形成了一幅動(dòng)態(tài)的檢測(cè)圖像，從而完成整根燃料棒的成像過(guò)程。2檢測(cè)設(shè)備和工藝參數(shù)2.1燃料棒檢測(cè)系統(tǒng)輻照后的燃料棒具有很強(qiáng)的放射性，需要在專(zhuān)門(mén)的場(chǎng)所進(jìn)行檢測(cè)，反應(yīng)堆燃料棒的X射線數(shù)字成像檢測(cè)裝置如圖3所示，包括熱室、移動(dòng)小車(chē)、臺(tái)架、射線機(jī)、線陣探測(cè)器以及控制系統(tǒng)及成像軟件等。檢測(cè)前，燃料棒被放進(jìn)熱室并裝夾在移動(dòng)小車(chē)上。成像時(shí)，熱室中的移動(dòng)小車(chē)帶動(dòng)燃料棒在臺(tái)架上左右移動(dòng)，射線機(jī)產(chǎn)生的X射線經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直照射燃料棒，線陣探測(cè)器接收透過(guò)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(dòng)小車(chē)上配有旋轉(zhuǎn)卡盤(pán)，可以帶動(dòng)燃料棒旋轉(zhuǎn)至任意角度。檢測(cè)過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)節(jié)小車(chē)的移動(dòng)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輻照損傷效應(yīng)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(cè)器為德國(guó)NTB公司生產(chǎn)的SEZW3-80線陣探測(cè)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(huì)對(duì)成像圖像產(chǎn)生干擾；另一方面，較強(qiáng)的γ射線會(huì)使探測(cè)器電子器件受輻照損傷而失效。根據(jù)線陣探測(cè)器的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖4），其上部已經(jīng)由兩塊厚度約為20mm的鎢合金塊覆蓋，如果只留約2mm的縫隙接收射線，則既可以減少成像區(qū)域外的射線對(duì)探測(cè)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(duì)于探測(cè)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)。2.3參數(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(cè)過(guò)程中需要根據(jù)燃料棒的特點(diǎn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.3.1透照電壓的選擇由于組成燃料棒的各種結(jié)構(gòu)密度相差較大，所以對(duì)X射線的吸收系數(shù)相差較大，實(shí)際檢測(cè)時(shí)，一般根據(jù)所要觀察對(duì)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200kV左右的較低透照電壓；當(dāng)觀察燃料芯塊開(kāi)裂情況時(shí)，選擇400kV左右的較高透照電壓。2.3.2成像器成像度使用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U系統(tǒng)使用的射線機(jī)焦點(diǎn)最小尺寸d2.3.3變?nèi)剂习舻钠毓饬客ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)臺(tái)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(cè)器必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)才能成像，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)不清晰度，一般運(yùn)動(dòng)速度越大，運(yùn)動(dòng)不清晰度就越大，得到的圖像越不清晰2.3.4照片區(qū)域?yàn)榱瞬贿z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(dòng)燃料棒3次進(jìn)行成像，每次轉(zhuǎn)動(dòng)120°。3試驗(yàn)和應(yīng)用的差異3.1人工缺陷尺寸為了確定系統(tǒng)所獲得的圖像對(duì)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(jiàn)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Al按照上述分析的工藝參數(shù)，使用X射線數(shù)字成像檢測(cè)裝置對(duì)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0.1mm、最小的芯包間隙0.2mm、最小的芯塊裂紋寬度0.2mm以及最小的芯塊孔直徑0.4mm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燃料棒x射線檢測(cè)的應(yīng)用作為反應(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(huì)發(fā)生很大的變化，X射線數(shù)字成像檢測(cè)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(píng)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(guò)X射線檢測(cè)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(cè)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(duì)于評(píng)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(cè)中常見(jiàn)的完整及破損燃料棒內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的檢測(cè)圖像。4輻照后材料數(shù)字