一种非破坏性堆外检测核燃料棒质量的装置
阅读说明：本技术 一种非破坏性堆外检测核燃料棒质量的装置 (Device for non-destructive out-of-stack detection of quality of nuclear fuel rod ) 是由 王飞 丁浩杰 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种非破坏性堆外检测核燃料棒质量的装置,所述装置包括,隔热壳体,隔热壳体内具有支撑核燃料棒的支撑装置,加热装置,控温装置,近端测温装置和远端测温装置,比传统的超声波或者X射线等方法的检测更方便操作也更准确,无论是入堆前还是入堆后,都可以根据常规样本建立标准数据区间,不需要破坏燃料棒就能够检测出质量异常的燃料棒。(The invention provides a device for detecting the quality of a nuclear fuel rod outside a non-destructive reactor, which comprises a heat insulation shell, wherein a supporting device for supporting the nuclear fuel rod, a heating device, a temperature control device, a near-end temperature measuring device and a far-end temperature measuring device are arranged in the heat insulation shell.)
技术领域
本发明涉及核反应堆的监视和测试，尤其是涉及检测反应堆芯外燃料元件的检测，具体来说是一种非破坏性检测核燃料棒质量的装置。
背景技术
核燃料的形式通常为由铀混合物粉末烧结成的二氧化铀陶瓷芯块，瓷芯块为短小的圆柱体，几百个芯块叠在一起装入细长的锆合金材料套管内，管内通常包括用来稳定燃料芯块的稳定件并预留了一定空腔用来容纳裂变气体，并且通常会预先充入一定的惰性气体进行保护，在封上两端的断塞后构成燃料棒（通常又称为燃料元件）。
燃料棒的质量直接关系到反应堆的运行，目前国内对于燃料棒的检测通常采用抽样破坏性检测，尤其是只能选择在燃烧后进行破坏性检测，主要测量燃料元件裂变气体释放率，为燃料元件的设计、制造和性能改进提供依据，例如公开号为CN105427906B的发明，其专门设计了一种破坏性检测装置，具体公开了一种重水堆燃料元件裂变气体释放和测量系统，包括用于对重水堆燃料元件进行钻孔并将裂变气体完全释放出来的钻孔装置、用于测量所述重水堆燃料元件内部空腔体积的标定机构、用于对钻孔装置释放出来的裂变气体进行加压收集的收集装置、以及用于对钻孔装置、标定机构和收集装置进行抽真空的真空机组，钻孔装置的裂变气体导出管通过管路连接收集装置，钻孔装置与收集装置构成封闭的管路系统，标定机构和真空机组均连通由钻孔装置与收集装置构成的封闭管路系统，从而真空机组能够对由收集装置、钻孔装置和标定机构构成的封闭管路系统进行抽真空。还包括电气控制系统，电气控制系统与由钻孔装置、标定机构、收集装置、真空机组构成的管路系统内的阀门和仪表电连接，对钻孔装置、标定机构、收集装置、真空机组及各连接管道上的阀门进行集中控制，并采集、表征钻孔装置、标定机构、收集装置、真空机组、各连接管道上的阀门及各设备上仪表的工作状态或参数，通过这套复杂的装置来对燃料棒反应后的包壳空腔内气体参数进行检测。
这种事后测量的方法虽然比起传统的超声波或者X射线等方法的检测更直观也更准确，但其属于事后的抽样检测，仍然对入堆前的超声波或者X射线等非破坏方法不够准确的问题没有改进，因此本领域亟待解决如何非破坏性准确测量燃料棒质量的问题。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种非破坏性堆外检测核燃料棒质量的装置，具体通过如下技术方案实现：
一种非破坏性堆外检测核燃料棒质量的装置，所述装置包括，具有供核燃料棒1插入开口的隔热壳体2，隔热壳体2内具有支撑核燃料棒的支撑装置3，加热装置11，控温装置5，近端测温装置13和远端测温装置14，当核燃料棒1插入隔热壳体2后，隔热壳2可以将壳体内的空间整体保持在预设恒定温度，支撑装置3用于支撑核燃料棒1，控温装置5，控温装置5内具有导热介质6，控温装置5可将导热介质6控制在预设的恒定温度，用于给燃料棒1加热的加热装置11，加热装置11包括电热丝，当燃料棒1插入隔热壳体2到预设位置时，加热装置11的电热丝包围在燃料棒1的预设位置10对燃料棒进行加热，控温装置5通过导热介质6将燃料棒1处于控温装置5内的燃料棒外壳位置9保持恒温，并且恒温温度与隔热壳体2内的温度相同，近端测温装置13用于测量位置10的温度，位置10位于位置9的一侧，远端测温装置14用于测量位置9另一侧的位置12的温度，位置9与位置10的距离在30cm以上45cm以下，位置12与位置9的距离在90cm以上120cm以下。
进一步地，支撑装置3的至少一部分支撑在位置12处，所述至少一部分为合金材料，所述合金材料由如下重量百分比的元素材料构成：6.2-8.2的锡（Sn），12.5-14.5的铌(Nb)，6.5-8.5的铁（Fe），铬（Cr）和镍（Ni）的重量百分比之和大于3并且小于铁元素的含量，1.2-2.3的钒（V），与钒（V）元素近似等量的铜（Cu），所述近似等量为重量百分比差异在0.1以内，1.2-3.2的钨（W），0.1-0.45的铪(Hf)，余量为锆以及难以避免的其它元素杂质，所述的难以避免的其它元素杂质的重量百分比不超过0.8，所述远端测温装置14的温度传感端设置在支撑装置3的所述至少一部分中，并与位置12处的燃料包壳接触。。
进一步地，加热装置11的加热能力在70摄氏度以上，隔热壳体2和控温装置5的温度控制能力包含零下20摄氏度到零上40摄氏度的温度范围。
进一步地，所述测温装置13为红外线远距离测温装置。
本发明同现有技术相比，具有如下技术效果：
1）本发明提供了一种非破坏性的测量装置，比传统的超声波或者X射线等方法的检测更方便操作也更准确，成本也更低，无论是入堆前还是入堆后，都可以根据常规样本建立标准数据区间，不需要破坏燃料棒就能够检测出质量异常的燃料棒，针对异常燃料棒可以进一步通过破坏性检测来进行问题分析，避免了对正常燃料棒的破坏。
2）本发明在试验中，意外得到效果较好的检测参数，例如加热位置和测量位置的选择以及测量温度的选择并没有现有技术可供参考，也没有已知的规律可以进行推理，发明人团队在发明基本构思的基础上经过了大量试验后得到了较好效果的参数，不仅方便实施，也降低了噪声，提高了检测精度。
3）本发明还通过研究支撑材料和对测量位置的改进，进一步优化了测量效果和精度，例如，但通过两个红外测温装置进行测量时，远端测温装置的测量准确度受环境温度有一定影响，这种影响虽然微小并且通常不易被发现，但研究团队发现在温度较低时，准确度略有降低，而通过温度传感器设置在支撑装置与待测温位置处与燃料包壳接触的位置时，可以进一步提高测量精度。
4）在现有技术中，通常没有注意支撑装置对于燃料棒的刮伤等，而本发明的研究团队进一步创造性提出非破坏性测量应该避免任何对燃料棒包壳材料损伤的可能，并结合现有技术包壳材料的性质研究出了支撑装置的适用材料，实验证明，在足够支撑燃料棒的基础上，可以避免对燃料棒包壳材料的损伤。
附图说明
图1为本发明非破坏性堆外检测核燃料棒质量装置的实施例一示意图；
图2为本发明非破坏性堆外检测核燃料棒质量装置的实施例二例示意图；
图3为实施例二支撑装置与燃料棒包壳接触部位示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如附图1所示，本发明的非破坏性堆外检测核燃料棒质量的装置具有供核燃料棒1插入开口的隔热壳体2，开口处可以在燃料棒和隔热壳体之间使用本领域常用的环形密封环进行密封以提高隔热壳体内的控温效果，然而这并非必须的，隔热壳体2内的整体氛围并不会因为插入口处的密封程度受很大影响，在隔热壳体2内具有支撑核燃料棒的支撑装置3，支撑装置3设置在预定位置，使用与燃料棒材料接近的合金加工而成，支撑部为与燃料棒形状匹配的凹槽，当然具体的形状不做特别限定，只要能够起到固定支撑的作用即可，可以使用本领域常见的合金材料制作，本研究团队为了进一步降低对燃料包壳可能产生的损伤，结合现有技术包壳材料的性质研究出了支撑装置的适用材料，具体构成公开如下：
由如下重量百分比的元素材料构成：6.2-8.2的锡（Sn），12.5-14.5的铌(Nb)，6.5-8.5的铁（Fe），铬（Cr）和镍（Ni）的重量百分比之和大于3并且小于铁元素的含量，1.2-2.3的钒（V），与钒（V）元素近似等量的铜（Cu），所述近似等量为重量百分比差异在0.1以内，1.2-3.2的钨（W），0.1-0.45的铪(Hf)，余量为锆以及难以避免的其它元素杂质，所述的难以避免的其它元素杂质的重量百分比不超过0.8，该材料与燃料包壳的材料接近，硬度略低于包壳材料，能够有效避免对包壳材料的刮伤，其导热性能又明显低于包壳材料，有效降低了在支撑部位的非必要热量传导对该检测方法造成的噪音。
隔热壳体2内还包括加热装置11，加热装置11可以用效率高结构简单的电热丝加热装置，电热丝结构也容易设置成包围在燃料棒周围，而我们的主要手段是通过测量燃料棒内部气体氛围下的热传导情况来有效检测异常燃料棒内部压力和气体种类的改变，所以要尽量减少燃料包壳对于加热热量的传递，因此在局部设置控温装置5，通过控温装置5内的导热介质6来保持包壳的温度稳定，例如附图1中的处于控温装置内的位置9处的燃料棒外壳部分，使得热量通过燃料棒内部氛围传递，近端测温装置13用于测量位置10的温度，位置10位于位置9的一侧，远端测温装置14用于测量位置9另一侧的位置12的温度，通过记录热量传递导致的温度变化来表征燃料棒内部氛围的实际情况。
加热位置和测量位置的选择以及测量温度的选择并没有现有技术可供参考，也没有已知的规律可以进行推理，发明人团队在发明基本构思的基础上经过了大量试验后得到了较好效果的参数，现说明如下。
位置9与位置10的距离在30cm以上45cm以下，位置12与位置9的距离在90cm以上120cm以下，位置9与位置10的距离理解为控温装置5控温区域与加热区域中间的间隔距离L1，位置12与位置9的距离理解为远端测量点12与控温装置5控温区域之间的距离L2，检测同一批已知质量情况的样本进行试验，虽然有问题的燃料棒至少在某一预设温度条件下都被检出，但相同温度条件下，在这个距离以外有6.25%的质量没有问题的燃料棒被误测为有问题，而在该距离设定之内整体误测率仅为1.25%，多次实验结果类似，有着明显的统计学差异和意义，具体的机制我们还在进一步研究中，但实验结果已经证明该参数设置对于燃料棒内真实氛围的热传导情况有明显较好的效果。
而对于环境温度的设定，开始实验时并没有重视该变量，但经过不断的实验发现，有些质量问题在不同的温度下可测量的敏感度不同，例如当燃料棒本身有破损时，测量环境的温度越高可测量的敏感度越低，而当燃料芯块本身有破损时，测量环境的温度越高高可测量的敏感度越高，这也是根据实验实践所发现的现象，因此在测量时，应当至少在隔热壳体2内经过高低温两种温度对待测燃料棒进行检测，任一条件下偏离正常阈值范围则可判定燃料棒存在问题，经过不断实验，预设恒定温度分别在20摄氏度以上和0摄氏度以下，并满足两次温度差在30摄氏度以上可以较好覆盖各类型质量缺陷。
同时研究团队意外发现在温度较低时，准确度略有降低，研究发现，远端测温装置的测量准确度受环境温度和具体燃料棒质量因素有一定耦合影响，这种影响虽然微小并且通常不易被发现，后续改进的另一实施方案，如附图2和3所示，可以把远端测温装置14的温度传感端设置在支撑装置3的与位置12处的燃料包壳接触的位置，可以减小这种耦合因素，进一步提高各条件下的测量精度，并提升测试装置整体的集成度，温度传感器在现有技术中属于成熟技术，这里不做具体限定。
在公开以上整体构思的情况下，整体的检测方法如下：
本发明还提出了相应的检测方法，具体为：
一种非破坏性堆外检测核燃料棒质量的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，设置可以将壳体内的空间整体保持在预设恒定温度的隔热壳体2，将隔热壳体2内保持预设恒定温度T1，将待测量燃料棒1的一端插入到隔热壳体2内，在隔热壳体2内待测量燃料棒1被支撑装置3支撑，燃料棒1插入的长度为预设长度；
步骤2，在燃料棒1的预设加热位置10处设置加热装置11，加热装置11可以对预设加热位置10处进行脉冲加热，同时在加热位置10的邻近位置9设置控温装置5以维持所述邻近位置9处的燃料棒包壳与隔热壳体2内相同温度，以阻止脉冲加热的热量通过邻近位置9处的燃料棒包壳传导；
步骤3，通过近端测温装置13测量预设加热位置10处的温度，同时通过另一远端测温装置14测量位置9另一侧位置12的温度，位置9与位置10的距离在30cm以上45cm以下，位置12与位置9的距离在90cm以上120cm以下，当预设加热位置10处的温度与另一侧位置12的温度相同且等于隔热壳体2内保持预设恒定温度时，保持目前氛围静置1.5小时以上；
步骤4，开启加热装置11对预设加热位置10处进行脉冲加热，加热温度在70摄氏度以上，通过近端测温装置和远端测温装置同时测量预设加热位置10和所述另一侧位置12的温度，记录所述预设加热位置9和所述另一侧位置12的温度，及所述另一侧位置12的温度随时间的变化曲线；
步骤5，将隔热壳体2内保持为另一预设恒定温度T2，T1与T2的温度差在30摄氏度以上，重复步骤1-4；
步骤6，将待测量燃料棒1测量得到的所述另一侧位置12温度随时间的变化曲线与标准燃料棒在上述步骤1-4相同条件下测量的具有统计意义的样本数据得到的变化曲线进行比较，当在两个温度下，待测量燃料棒的温度曲线数据在相同时间点存在超出样本数据的最大或最小值时，则判断待测燃料棒存在质量问题。
所述预设恒定温度T1在20摄氏度以上，所述另一预设恒定温度T2在0摄氏度以下，并满足T1与T2的温度差在30摄氏度以上。
所述测量燃料棒1被支撑装置3支撑时，支撑装置3的至少一部分支撑在位置12处，所述至少一部分为合金材料，所述合金材料由如下重量百分比的元素材料构成：6.2-8.2的锡（Sn），12.5-14.5的铌(Nb)，6.5-8.5的铁（Fe），铬（Cr）和镍（Ni）的重量百分比之和大于3并且小于铁元素的含量，1.2-2.3的钒（V），与钒（V）元素近似等量的铜（Cu），所述近似等量为重量百分比差异在0.1以内，1.2-3.2的钨（W），0.1-0.45的铪(Hf)，余量为锆以及难以避免的其它元素杂质，所述的难以避免的其它元素杂质的重量百分比不超过0.8，将所述远端测温装置14的温度传感端设置在支撑装置3的所述至少一部分中，并与位置12处的燃料包壳接触。
具体操作过程解释如下：
将隔热壳体2内保持预设恒定温度T1，将待测量燃料棒1的一端插入到隔热壳体2内，在隔热壳体2内待测量燃料棒1被支撑装置3支撑，并且在两个测温点位置10和12之间一端燃料包壳穿过控温装置5，整体位置符合上文中的位置条件限定，为了让燃料包壳的氛围与环境统一，当预设加热位置10处的温度与另一侧位置12的温度相同且等于隔热壳体2内保持预设恒定温度时，经过试验，保持目前氛围静置1.5小时以上能够保证内外氛围一致，当该氛围条件稳定后，开启加热装置11对预设加热位置10处进行脉冲加热，通过近端测温装置和远端测温装置同时测量预设加热位置10和所述另一侧位置12的温度，记录所述预设加热位置9和所述另一侧位置12的温度，及所述另一侧位置12的温度随时间的变化曲线，这里我们设定第一次预设温度为20摄氏度，加热脉冲温度为70摄氏度，位置12的温度从20摄氏度逐渐升温到70摄氏度，第二次预设温度为零下10摄氏度，加热脉冲温度为70摄氏度，位置12的温度从零下10摄氏度逐渐升温到70摄氏度，在得到温度曲线数据后就可以与标准样本的数据比较来判断该检测对象是否有质量问题。
通过样本数据设立标准数据库，用待测样本数据进行比较的判断逻辑本身是质量管理体系的通用方法，具体的样本数量，取样方式可以根据实际情况进行设定，属于本领域技术人员在本发明公开的构思基础上可以灵活调整的范围，这里不做具体限定，仅举例如下。
本试验的样本库之一是通过100支无质量缺陷的入堆前燃料棒在上文的条件下设置的，以10秒作为温度收值间隔，在每个时间点以100支样本中的最大最小值作为判断阈值，例如在预设温度为20摄氏度，加热脉冲温度为70摄氏度，位置12的温度在2分钟20s时的样本库中最大值为30.6摄氏度，最小值为30.2摄氏度，而待测量燃料棒1在该时间点的温度为20.5摄氏度，且在后续时间点其时间曲线明显偏离样本数据库范围，可判定该待测量燃料棒1内部氛围已经改变存在质量问题，而有些存在质量问题的燃料棒在预设温度为20摄氏度时的温度曲线还落在样本库阈值范围内，当在预设温度为零下10摄氏度时，在某一时间点位置12的温度则明显脱离样本库范围，当在两个温度下，待测量燃料棒的温度曲线数据在相同时间点存在超出样本数据的最大或最小值时，则可判断待测燃料棒存在质量问题。
在一次试验中，我们发现某一有问题的待测对象时间曲线虽然接近阈值区间的临界点，但仍然落在阈值范围内，通过如上文所述的将把远端测温装置14的温度传感端设置在支撑装置3的与位置12处的燃料包壳接触的位置时，则可以提高检测度，把该误测无质量问题的燃料棒也检测为正确的有质量问题类型。
通过上述实施例的详细公开，本发明的发明构思和具体实施方式对于本领域人员而言已经能够很好的实现，但具体实施方式并非限定本发明的保护范围，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。