第３６卷２０１６年第１Ｏ期 １０月 核电子学与探测技术 Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１０ ０ｃｔ． ２０１６ ７ Ｃｓ源燃料棒芯块间隙检测装置设计 王长虹，张雷，刘明，马金波 （中国核电工程有限公司郑州分公司，郑州４５００５２） 摘要：设计了一种使用” ｃｓ 放射源检测新型燃料棒内芯块间隙的装置。该装置除具备 Ａｍ源 检测装置功能外，还可清晰辨别实心芯块和环形芯块区域，以及辨别燃料棒内的芯块垫、弹簧、支撑管 等。使用１．５Ｃｉ的” Ｃｓ放射源，装置检测速度６ ｍ／ｒａｉｎ、置信度９５％时，设备的燃料棒长度检测精度为４ ｍｍ／ｌｍ，间隙检测精度为±０．１３ ｍｉｌｌ。装置运行稳定性良好，精度满足检测需求。 关键词：燃料棒；芯块间隙；检测设备；环形芯块；实心芯块 中图分类号：ＴＬ ８１６．２ 文献标志码： Ａ 文章编号：０２５８￣９３４（２０１６）１０．１０５８－０４ 对燃料棒中芯块间间隙进行１００％的检测 其中，机械传动与控制部分与 Ａｍ源间隙检 测装置类似。 １．１＂ Ｃｓ源 是燃料元件生产线一项必不可少的质量控制环 节，可以有效地保证反应堆堆芯达到预设的中 子通量分布，为核电站的安全提供保障。在某 些新型的反应堆燃料的设计中，燃料棒的复杂 卯Ｃｓ源为双层不锈钢密封焊接，活度５．５５ ×１０加Ｂｑ，源外形为 ８×１３ ｍｍ，活性区尺寸 度增加，有的内部加人环形芯块，有的使用不同 种类的可裂变物质，同时燃料棒生产中质量控 制的要求更趋严格，都使得 引Ａｍ＾ｙ源燃料棒芯 块间隙检测设备¨ 难以满足要求。 本设计在原间隙检测装置的基础上，将列 ６×７ ｍｍ。 １．２检测体 检测体包括准直体、贮源体、屏蔽体、屏蔽 盖、探测器筒等，如图１所示。贮源体和准直体 由钨材料制成，贮源体顶部有圆柱形孔用于放 Ａｍ源更换为ｎ Ｃｓ源，选择合适的放射源活度， 对探测器的晶体尺寸和检测体的屏蔽、准直等 进行重新设计计算，改进核电子学和数据采集 系统，组建出满足新型燃料元件生产线需要的 燃料棒芯块间隙检测装置。 置放射源，其尺寸略大于放射源外形尺寸。贮 源体上方安装钨制准直体，两部件通过准确的 凸凹设计，精确接合。准直器中心有准直孔，位 于放射源正上方，垂直于准直孔设置燃料棒检 测通道孔。屏蔽体和屏蔽盖主要用于放射源的 屏蔽，以避免（减弱）电离辐射对设备周围工作 人员的伤害。 １．３探测器 １总体设计 芯块间隙检测装置主要由以下部件组 成：Ｂ Ｃｓ源、检测体、探测器及核电子学系统、 装置使用的ＮａＩ（Ｔ１）探测器固定于探测器 数据采集及处理系统、机械传动与控制部分。 筒内。在屏蔽体上部设置半孔，用于探测器信 号线及高低压电源线的出入。 １．４核电子学仪器 收稿日期：２０１６—０９—０８ 作者简介：王长虹（１９８４一），男，河南新安人，工程 师，主要从事核技术应用及无损检测研究。 １０５８ 主放采用了快放大器，数据通过率达到０．１ Ｍｂ／ｓ。采用自行研制的数据采集卡替代原间 隙所用的研华ＰＣＩ一１７８０ ，新研制的数据采 集卡的定时精度可达１１５量级，而设备的单点数 据采集时间为ｍｓ量级，新的采集卡定时精度 完全满足检测要求。 ｉ 一 体 图１ 双通道间隙检测体示意图 ２模拟检测 考虑结构的复杂性，采用ＭＣＮＰ进行检测 的模拟计算。建立模型以后，对屏蔽体的高度， 准直孔规格、通道孔的位置等参数不断进行调 整，摸索出准直体最佳参数作为设计参数。图 ２为一定准直体参数下检测的计数率曲线，左 边的四个台阶计数率从高到低依次代表元棒、 弹簧、环形芯块和实心芯块在准直孔内时的计 数率。在实心芯块的计数率基底上，分别计算 了芯块问存在０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、 ０．７、０．８、０．９、１．０、１．２、１．５和１．９ ｍｍ间隙时 的计数率，考虑到放射性测量所固有的统计涨 落，该组准直体参数下设备运行良好时，可以测 出宽度大于０．５ ｍｍ的间隙（置信度９５％）。 翌。：ｏｏ 盟 目 Ｕ ９００ ｏ缸ｎｏｎ 图２模拟检测曲线 ３主要性能测试与讨论 ３．１标准棒设计 新装置现已被应用于国内某条燃料元件生 产线上。图３为用于间隙检测的标准棒示意 图，棒的总长为４．５８０ ｍ，包壳管材料为锆铌合 金（Ｚｉｒｌｏ），内径８．３６ ｍｍ，外径９．５０ ｍｍ。棒内 有两种芯块区域：环形芯块区、实心芯块区，环 形芯块和实心芯块外径均为８．１９ ｍｍ，环形芯 块内径３．９４ ｍｍ，棒内还安装了弹簧、问隙、支 撑管、芯块垫等部件。 该标准棒可以用于装置性能的测试和定量 测量时间隙标定曲线的建立。图３中可以看 到，环形（实心）芯块区域内插入１块实心（环 形）芯块，该设置可以检验装置对于混装芯块 的判别能力。在实心芯块区域等间隔插入６个 有机玻璃片作为模拟间隙，间隙宽度依次为 ２ ５５ ｍｍ １ ６１ ｍｍ １．２７ ｍｍ １ １１ ｍｍ、０．７２ ｍｍ和０．５２ ｍｍ。有机玻璃片密度为１．２ｇ／ 。ｅｍ，远低于ＵＯ 芯块的密度１Ｏ．９６ ｇ／ｅｒａ。，可以 有效地模拟真实的芯块间问隙。 环形芯块区 实心芯块区 ‘ ‘ ｆ １羹 ｆ溪 ｆ ｆ ｆ ｆ ｌ ｆ ｆ豢蠢耋 ／ ｆ 图３间隙标准棒示意图 ３．２检测曲线 图４为标准棒的检测曲线，图中单点数据 采集时长为５ ｍｓ，总采集点数１３ ０００个，检测 速度为６ ｍ／ｒａｉｎ，单支燃料棒间隙检测时间小 ／撙簧 支棒臂黛嘲 － １４００ ； 焉蕊 Ｉ ｌ 安 ｏｏ 』 ； ｉ ； 霹 ‘ 块蛐 蛰 图４标准棒检测曲线 于ｌ ｒａｉｎ。在检测曲线上标出了棒内各个零部 件、及间隙的位置，通过对弹簧和支撑管区域设 置上下阈值，在进行正常检测时设备可以自动 判别棒内弹簧或支撑管的有无。在检测曲线基 底上可以看到放射性测量所带来的统计涨落均 远小于０．５ ｍｍ间隙所显示的计数异常。通过 对检测计数曲线求导，根据导数曲线，容易对芯 １０５９ 块区域和区域内异常（间隙或混装芯块）的位 置进行识别，在识别间隙或混装芯块位置之后， 可根据间隙对实心芯块区域检测平均计数的偏 离来判断间隙的大小。 ３．３标定曲线 图５所示为标准棒内间隙的标定曲线，横 坐标为间隙计数，即间隙对实心芯块区域检测 平均计数的偏离，纵坐标为问隙大小，间隙大小 和间隙计数问的关系可以用二次函数进行良好 ０ １２００ ２４００ ３６ＯＯ Ｃ ４０００ ６０００ 的拟合，拟合相关系数大于０．９９。 ３．４重复性 图５间隙标定曲线 信度为９５％时，设备燃料棒长度检测精度为４ 表ｌ给出１天内１Ｏ次速度为６ ｍ／ｍｉｎ时 的检测结果（设备机械装置更换后第６天），置 ｍｍ／ｌ ｍ，间隙检测精度高于±Ｏ．１ ｍｍ。 表１燃料棒检测数据及统计（１天内） 日目 牙口 ５ ４ ３ ２ １ ３．５稳定性 ９５％时，设备燃料棒长度检测精度为１．３ ｍｍ／ １ｍ，间隙检测精度高于±０．１３ ｍｍ。 表２给出２０天内ｌ０次速度为６ ｍ／ｍｉｎ时 的检测结果（设备长时间运行后），置信度为 表２燃料棒检测数据及统计（长期） １０６０ ３．６讨论 重复性及稳定性良好，可以满足生产线长时间 运行的要求，装置如无部件更换，无须频繁标 定。 参考文献 根据 射线透射法基本原理 Ｊ，设备的检 测精度主要取决于检测速度和核电子学仪器的 稳定性。其中，检测速度对燃料棒及内部部件 （芯块摞、弹簧、支撑管）长度的检测精度影响 较大，核电子学系统的稳定性主要影响间隙检 测精度。表ｌ、２结果表明，装置较长时间运行 后速度稳定性逐渐提高，核电子学系统在２０天 内运行状况良好，无系统偏离。 ［１］邓景珊，朱国胜，等．新一代核燃料棒ＵＯ 芯块间 隙检测设备研制［Ｊ］．核电子学与探测技术，２００４， ２４（２）：１２１—１２５． ［２］刘南陔，刘兰华，等．核电站燃料元件ＵＯ：芯块间 隙无损检测仪［Ａ］．北京：原子能出版社，无损检 ４结论 使用 ’Ｃｓ源的芯块间隙检测装置可以对 测技术在核工业中的应用论文集，１９９８：９２—９９． ［３］张雷，邓景珊，刘明．基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的核燃料棒间 隙检测设备的软件设计［Ｊ］。核电子学与探测技术， ２０１０，３０（２）：１５９—１６３． ［４］Ｘ一５ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ Ｔｅａｍ．ＭＣＮＰ—Ａ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ Ｎ—Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｃｏｄｅ，Ｖｏｌｕｍｅ Ｉ，Ⅱ，ⅡＩ 新型燃料棒进行完全的芯块间隙检查，可清晰 区分 Ａｍ源检测装置不能分辨的环形芯块， 并自动分辨不同芯块区域内间隙的有无及分 布，识别间隙大小，自动判断棒内各零部件是否 缺失。装置对燃料棒各部件和间隙定量测量的 ［Ｍ］，Ｖｅｒｓｉｏｎ ５，Ｌｏｓ Ａｌａｍｏｓ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ． ２ｏ０３． Ｄｅｓｉｇｎ ０ｆ Ｆｕｅｌ Ｒｏｄ ｉｎｔｅｒ—ｐｅｌｌｅｔｓ Ｇａｐｓ Ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｉｔｈ 。 Ｃｓ Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ Ｓｏｕｒｃｅ ＷＡＮＧ Ｃｈａｎｇ—ｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｌｅｉ，ＬＩＵ Ｍｉｎｇ，ＭＡ Ｊｉｎ—ｂｏ （Ｃｈｉｎａ Ｎｔｌｃｌｅａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ Ｌｔｄ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｂｒａｎｃｈ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００５２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｆｕｅｌ：ｒｏｄ ｉｎｔｅ￣’一ｐｅｌｌｅｔｓ ｇａｐｓ ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｉｔｈ。”Ｃｓ ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ ＳＯＵｒＣｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｌｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｉｔｈ Ａｍ ｓｏｕｒｃｅ，ｔｈｉｓ ｇａｐｓ ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃａｌｌ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈ ａｎｎｕｌａｒ。 ｓｏｌｉｄ ｐｅｌｌｅｔｓ，ｐｅｌｌｅｔ—ｃｕｓｈｉｏｎ，ｓｐｒｉｎｇ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｕｂｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｃａｌｌ ｒｅａｃｈ ｔｏ ６ ｍ／ｒａｉｎ ｗｉｔｈ １．５Ｃｉ Ｃｓ ｓｏｕｒｃｅ，ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｐｅｌｌｅｔ ｕｐ ｔｏ ０．１３ ｍｍ，ｆｕｅｌ ｒｏｄ ｌｅｎｇｔｈ ｕｐ ｔｏ ４ ｍｍ／ｌ ｍ，ｗｉｔｈ ９５％ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ．Ｔｈｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗａｓ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔａｂｌｙ ａｎｄ ｆｕｌｆｉｌｌ ｔｈｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ｒｅ． ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｕｅｌ ｒｏｄ；ｉｎｔｅｒ—ｐｅｌｌｅｔｓ ｇａｐ；ｉｎｓｐｅｃｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ；ａｎｎｕｌａｒ ｐｅｌｌｅｔ；ｓｏｌｉｄ ｐｅｌｌｅｔ １０６１
