激光測徑技術在核反應堆燃料棒輻照后檢驗中的應用研究

附程++湯琪

摘 要：直徑測量是燃料棒輻照后檢驗的一項重要項目，使用激光測徑技術可以實現設備與燃料棒非接觸測量的目的。針對燃料棒會對設備電子器件造成輻照損傷的問題，激光測徑儀經過屏蔽改造后被放置于熱室用于反應堆燃料棒直徑的測量。經過標準直徑棒進行校驗，系統測量精度為±3μm，滿足檢驗的要求。

關鍵詞：燃料棒 輻照后檢驗 激光測徑

中圖分類號：TL421 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（a）-0210-04

Abstract： Diameter measurement is an important itemin the post irradiation examination （PIE） of irradiated fuel rods， and measurement using laser device technology can realize the goal of noncontact with the fuel rod. In order to solve the irradiation damage from fuel rods， the instrument was put into the hotcell after modification. The accuracy is about ±3μm， which can meet the requirement of the examination.

Key Words： Fuel rod； Diameter measurement； Laser device

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、過多裂變氣體釋放、包殼蠕變以及包殼-芯塊機械相互作用等方面的變化[1]，而這些變化都可以直觀地通過直徑的變化反映出來。因此，燃料棒直徑的測量對于評價燃料棒在堆內的性能非常重要。

從核反應堆內卸車的燃料棒帶有很強的放射性，會給直徑的測量帶來諸多困難，差動變壓器接觸法和激光測徑法是目前測量燃料棒直徑比較廣泛使用的兩種方法[1]。而相對于前者，激光測徑技術的優點在于在不降低測量準確度的前提下，可以實現燃料棒與裝置非接觸而達到測量的目的，這就可以在測量過程中減少設備對于燃料棒的損傷。

1 檢驗原理

燃料棒直徑測量所使用的激光測徑技術的原理非常簡單，如圖1所示，一般的激光測徑儀帶有高速旋轉的激光發射器和激光接收器，激光發射器發出的激光束通過一組透鏡處理變成平行光，物件只要擋住光束，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，可讀出所測量位置的直徑值。

2 檢驗裝置

2.1 激光測徑儀的改造

市場上采購的原始激光測徑儀如圖2所示，其擁有眾多電子器件，因此抗輻照能力有限，不適于測量輻照比較強的燃料棒，因此必須在現有條件下做設備的屏蔽改造以適應熱室的工作環境，做到既能保護設備又不影響直徑測量的準確性。

首先，將圖2所示的激光測徑儀進行分解，將其激光發射端和接收端拿出分別安置于燃料棒的兩側，使用平均厚度40 mm厚的鎢合金作為屏蔽材料將發射端和接收端分別屏蔽，同時留有線路和激光光路的通道；然后，將兩個平面鏡也在燃料棒兩側布置，且兩者位于激光光路通道之前并呈一定角度，目的是使得發射端發出的激光光束經過兩次反射后能被接收端接收，完成在不阻擋燃料棒正常運動情況下的直徑測量。改造之后的實物如圖2所示。

2.2 檢驗裝置

激光測徑儀經過屏蔽改造后能夠更好地適應燃料棒檢驗中強輻射的工作環境，將其放入熱室多功能測量臺架上，并配合裝卡燃料棒的移動小車、防止燃料棒抖動的托架等輔助部件組成整個反應堆燃料棒的直徑測量系統（如圖3所示）。

燃料棒直徑測量時，熱室中的移動小車帶動燃料棒在臺架上左右移動，并在所設定的固定間隔位置停留一定時間，激光發射端發出的激光掃描燃料棒，接收端將獲得的直徑信息傳輸到計算機上，同時移動小車具有帶動燃料棒旋轉的功能，可以進行多角度直徑測量，從而可以得到燃料棒橢圓度方面的信息。

3 應用結果及分析

3.1 直徑測量裝置校驗

使用激光測徑技術測量燃料棒直徑的誤差主要來源有燃料棒的抖動、激光束的穩定性等。為了驗證改造之后的激光測量裝置直徑測量的準確性，設計加工如圖4所示的標準棒對裝置進行校驗。標準棒共有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、9.403 mm、9.452 mm、9.502 mm、9.552 mm、9.601 mm和9.498 mm。使用激光測徑裝置對標準棒測量的結果如圖4所示，排出臺階過渡處加工的誤差，結果顯示系統測量偏差值基本在3μm以內，達到國外所報道的水平[2]。

為保證燃料棒直徑測量的準確度，減小實驗誤差，在每次燃料棒進行測量前后均使用該標準棒對測量裝置進行校正。

3.2 燃料棒檢驗

作為一種無損測量手段，反應堆燃料棒直徑測量能夠反映芯塊腫脹、包殼蠕變等重要的尺寸變化信息；同時，由氫化或者是“環脊”所引起的包殼徑向的變化也能通過實驗所獲得的直徑數據進行初步判斷。

利用熱室內的激光測徑裝置進行燃料棒直徑測量時，為獲得完整的數據，多采用母線法分別在0°、45°、90°、135°四個相對角度方向上對燃料棒進行直徑測量；一般選擇測量間隔為1 mm，每到一個位置時，燃料棒停頓，激光測徑裝置進行采集數據，直到完成整根燃料棒的測量。某核電站反應堆完整燃料棒單個角度方向直徑的測量結果如圖5所示。

從圖5中可以看出：對于完整的燃料棒，燃耗在不超過一定程度時，所測直徑值呈現中間小，兩頭大的趨勢；由于受到堆內高溫蠕變和輻照生長的共同影響，中間大部區域的直徑值均小于燃料棒設計值。

燃料棒在堆內長時間輻照期間，由于燃料芯塊與包殼的熱膨脹系數以及所受溫度的差異，芯塊和包殼會經歷如圖6所示的變化過程，芯塊與包殼之間的間隙逐漸較小，最終芯塊與包殼相互接觸發生相互作用，并形成“環脊”[3-4]。“環脊”形成最直接的反映是燃料棒直徑會發生有規律的變化，對應圖5中虛線框內更細節的圖如圖7所示，可以看出每一個峰值相互之間的距離就是一個芯塊的長度，從而證明該燃料棒“環脊”的存在，“環脊”的高度約在10μm左右。

4 結語

激光測徑儀經過改造后被放入熱室進行反應堆燃料棒直徑的測量，既能夠適應熱室強輻照的工作環境，同時其±3μm測量精度能夠滿足檢驗的要求，其測量結果已經被用于燃料棒性能的評價。

參考文獻

[1] Guidebook on non-destructive examination of water reactor fuel[J].Vienna：IAEA，1991.

[2] D PAPAIOANNOU，R NASYROW，W DE WEERD，et al，Non-destructive examinations of irradiated fuel rods at the ITU hot cells，Hotlab 48th annual meeting：Hot cell post-irradiation examination and pool-side inspection of nuclear fuel[J].Slovakia，2011.

[3] Tanweer Alam，Mohd. Kaleem Khan，Manabendra Pathak，et al.A review on the clad failure studies.Nuclear Engineering and Design，2011（241）：3658-3677.

[4] Steinar.Mechanical interaction between fuel and cladding[J].Nuclear Engineering and Design，1972（21）：237-253.