CN101548338B - 用于检测球形粒子、特别是用于高温或特高温反应堆的核燃料粒子中的结构异常的方法和装置 - Google Patents

用于检测球形粒子、特别是用于高温或特高温反应堆的核燃料粒子中的结构异常的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测球形粒子、特别是用于高温或特高温反应堆的核燃料粒子中的结构异常的方法和装置。其中涉及一种用于检测球形粒子(33)中的至少一种结构异常的方法，该方法包括至少以下步骤：使粒子(33)通过至少一个感应线圈(15)；激励感应线圈(15)，以便在粒子(33)中感应傅科电流；在感应线圈(15)末端接收输出信号；以及分析信号，以便确定粒子是否包含结构缺陷。通过使粒子(33)以粒子(33)的不同位置连续地通过一个或更多个感应线圈(15)来获得多个输出信号，该感应线圈或每个感应线圈(15)至少在粒子(33)每次通过时被激励，以便在粒子(33)中感应傅科电流。

Description

用于检测球形粒子、特别是用于高温或特高温反应堆的核燃料粒子中的结构异常的方法和装置
技术领域
本发明通常涉及用于检测球形粒子、特别是用于高温或特高温反应堆的核燃料粒子中的结构缺陷的方法。
背景技术
更确切地，按照第一方面，本发明涉及一种用于检测球形粒子中至少一种结构缺陷的方法，本方法包括至少以下步骤：
-使粒子通入至少一个感应线圈；
-激励感应线圈，以便在粒子中感应傅科(Foucault)电流；
-在感应线圈的末端捕获输出信号；以及
-分析信号，以便确定粒子是否包含结构缺陷。
在1986年美国无损检测学会(ASNT)出版的《无损检测手册》第二版，第四卷，第195～197页中一篇文章，以理论的方式描述了通过圆形的感应线圈来检测球形粒子中裂纹(fissure)的方法。这篇文章提出了使用傅科电流进行这样检测的方法的理论方面，并且提出了所希望的性能水平。它指出输出信号是关于线圈的裂纹位置的函数。
这种方法有一个缺点在于，在感应线圈的末端捕获的输出信号不仅对粒子中的结构缺陷的存在和位置敏感，而且还对粒子的许多其它的物理参数，例如它的尺寸、组成粒子的材料等也敏感。因此，这种方法不能高度可靠地在非缺陷粒子与含有结构缺陷的粒子之间进行辨别。
发明内容
在本文中，本发明的目的是提供一种更加可靠的方法。
为了达到这个目的，本发明涉及一种上述类型的检测方法，其特征在于通过使粒子以粒子的不同位置连续地通过一个或更多个感应线圈来捕获多个输出信号，该感应线圈或每个感应线圈至少在粒子每次通过时被激励，以便在粒子中感应(引起，induce)傅科电流。
可以单独考虑或根据任何技术上可能的结合，该方法还可以包括下面的一个或更多的技术特征：
-根据一个变量进行分析步骤，该变量代表与从输出信号确定的参数值彼此间相关的离散度；
-该参数是当粒子在感应线圈里面时被激励的感应线圈的阻抗模量；
-代表离散度的该变量等于阻抗模量设定值的最大值和最小值之间的差量；
-分析步骤是通过将代表离散度的该变量与预设阈值比较来进行的；
-该感应线圈或每个感应线圈被频率在30～50MHz的电流激励，且优选为具有对应于该线圈的谐振频率的频率的电流；
-在该粒子连续地通过感应线圈的同时，以旋转运动进行移动；
-该粒子连续地通过至少四个不同的感应线圈；以及
-该粒子是核燃料粒子。
根据第二方面，本发明涉及一种用于执行上述方法的装置，该装置包括：
-多个感应线圈；
-用于使粒子以粒子的不同位置连续地通入感应线圈的设备(单元，部件)；
-用于激励感应线圈以便在粒子中感应傅科电流的设备；
-用于在每个感应线圈的末端捕获输出信号的设备；
-用于分析输出信号并确定粒子是否包含结构缺陷的设备。
该装置可选择地包含下面的特征：
-感应线圈垂直布置，一个线圈在另一个线圈的上面；
-该装置包含用于使粒子在重力的作用下落下通过叠加的感应线圈的设备；以及
-用于使粒子在重力的作用下落下通过叠加的感应线圈的设备包含倾斜的斜坡(坡道，ramp)，该斜坡能够移动粒子基本直到垂直地在该线圈上方的位置。
附图说明
根据下面详细的描述将会理解本发明的其它特征和优点，该详细描述通过参考附图以非限定性实施例的方式给出，其中：
-图1是例示用于高温反应堆的核燃料粒子结构的中纬切面示意图；以及
-图2是执行按照本发明的检测方法进行安装的示意图。
具体实施方式
图1示意性例示了用于高温或特高温的反应堆(HTR/VHTR)的核燃料粒子1的结构。
按照惯例，该粒子1通常基本上为球形，并且由内侧向外侧连续地包含：
-易裂变的物质核(material core)3，例如基于UO2或UCO，
-多孔的热解碳层(pyrocarbon)5，
-致密的第一热解碳层7，
-碳化硅层9以及
-致密的第二热解碳层11。
当使用这种粒子时，多孔的热解碳充当裂变气体的储存器，碳化硅充当屏障以防止固态裂变产物的扩散，并且致密的热解碳确保对裂变气体压力的机械阻力。
核3具有例如直径大约是500μm，并且层5、7、9和11的厚度分别为例如95μm、40μm、35μm和40μm。
可以理解，核3与层5、7、9和11的相对尺寸并不与图1相符。
这些层，特别是热解碳层5、7、11被沉积，例如通过在流化床炉子中进行的化学汽相沉积方法进行沉积。
图2中例示的装置可以用来检测图1中的燃料粒子的层5、7、9、11中的任意一层或粒子层间的任何结构缺陷。
由此可能被检测的结构缺陷如下：
-层间聚合力的损失，也就是说，在两个叠加的层间的区域彼此没有紧紧接触，而是在这两层之间出现了空腔；
-裂缝或空腔，位于同一层内；
-一个层内的区域，在该区域该层具有缺陷性孔隙；
-区域，该区域中的层有球形瑕疵(缺陷，fault)。
该检测装置13包含：
-用于感应和测量的5个圆形线圈15；
-用于使被检测的粒子连续地通入感应线圈15的设备17；
-用于激励感应线圈15以便在被检测的粒子中感应傅科电流的设备19；
-用于在每个感应线圈15的末端捕获输出信号的设备21；
-分析设备23，用于根据代表与从输出信号确定的参数值彼此相关的离散度的变量来确定粒子是否包含结构缺陷。
在例示的实施例中，感应线圈15是圆形线圈并且彼此相同。它们以同轴的方式彼此并行设置。
感应线圈15垂直布置，一个位于另一个的上面。两个线圈间垂直间距(spacing)根据操作频率和引入的电流值而优选为8～40mm，使得线圈彼此去耦。线圈间的垂直间距随着操作频率的增大而变小。
每个线圈15包含圈数在5～35之间，优选在8～20之间。例如，每个线圈包含11圈。
根据被检查(inspect)的粒子的直径，每个线圈15的内直径在0.6mm～2mm之间，优选在1mm～1.5mm之间。例如，每个线圈的内直径是1.2mm。更确切地，每个线圈15通常包含一个中空圆筒形的型玻璃管和一个缠绕在玻璃管外表面的铜线。被检测的粒子在玻璃管内部通过，例如，所选择的该管的内直径等于被检测的粒子的最大直径加上0.2mm。这样，在通过玻璃管的粒子与该玻璃管的内表面之间的空隙大约为0.1mm。
每个线圈15由具有圆形截面的铜线构成，其直径是在20～200μm之间，优选在50～125μm之间。例如线的直径是100μm。
用来移动线圈中粒子的设备17包含，例如倾斜的斜坡25和用于储存被检测粒子的加料机27。该加料机27包含例如，具有垂直轴的圆筒形的斜道29和用于选择性堵塞或松开(disengage)斜道29下端的设备31。被检测的粒子33垂直地堆积在斜道29中。该斜道29垂直地位于倾斜的斜坡25的上端35的上方。
该倾斜的斜坡25还有一个下端37，其位于线圈15的上方，基本垂直位于正上方。该倾斜的斜坡25在它的末端35和37之间的长度L为几十厘米。该斜坡25相对水平面形成一个在20°～45°之间的倾角α。
用于激励感应线圈的设备19包含交流电源39和一些电导体41，这些电导体将电源39连接到每个线圈15的末端。电源39包含用于调节传送到每个线圈15的激励电流的频率的设备。该激励电流的频率在30MHz～50MHz之间，优选在30MHz～35MHz之间。例如，该激励电流的频率是32MHz，等于线圈的谐振频率。
该激励电流对每个线圈15都是相同的。在一个变型中，该激励电流对每个线圈15可以是不同的，特别是它们的频率。
用于在每个线圈15末端捕获输出信号的设备21包含一个多通道的阻抗计43和电导体45，该电导体将每个线圈15的末端与该阻抗计43的通道中的一个相连接。在每个感应线圈15的末端捕获的输出信号是电流，据此，当粒子在感应线圈里面时，阻抗计43确定受激励的感应线圈15的阻抗模量。
分析设备23包含数据处理计算设备，该设备与阻抗计43相连接。通过阻抗计43确定的每个感应线圈15的阻抗模量的值由此被传送到数据处理设备23。
数据处理设备23还控制电源39和设备31，该设备31允许斜道29被堵塞或松开。
现在将详细描述允许通过图2中的设备来检测燃料粒子中结构缺陷的方法。
首先，数据处理设备23指示设备31松开斜道29的下端，以使粒子33下落到倾斜的斜坡25上。一旦料子33已经通过，则设备31就再次堵塞斜道29。
粒子33下落在该倾斜的斜坡的上端35，并沿着该倾斜的斜坡25行进直至其下端37。接下来，在重力的作用下，粒子下落通过不同的叠加线圈15。该倾斜的斜坡的下端37以这样的方式放置，使得粒子33依据不同的线圈15的轴的方向基本垂直下落。
因为粒子33已经沿着倾斜的斜坡25行进，所以当连续地通过感应线圈15时，粒子以包含自转的运动进行移动。该粒子33的垂直平移速度和旋转速度是倾斜斜坡25的长度L及其倾角α的函数。这些参数根据线圈15之间的垂直间距和被检测的粒子的尺寸来调节。
该数据处理设备23指示电源39以使激励电流进入线圈15。优选地，选择激励电流的频率使之基本对应于线圈的谐振频率。在一系列用于控制一整批粒子33的操作期间，该电源39优选永久性给该感应线圈15供电。
当粒子33通过感应线圈15时，每个感应线圈15在粒子中感应傅科电流。这些傅科电流进而产生一个干扰激励电流的感应磁场。
特别地，该感应磁场会改变当粒子通过时被激励的感应线圈15的阻抗。
该阻抗计43永久性检查不同线圈15的末端的阻抗，并当粒子在感应线圈里面时确定每个感应线圈15的阻抗。该粒子通过的时间能很容易被确定，因为它与感应线圈15中的阻抗的突变相对应。该阻抗计43将确定的阻抗模量传送到数据处理设备23。
数据处理设备23接收5个感应线圈15的阻抗模量，当粒子在这些线圈里面时该线圈被激励。该设备23计算一个变量，该变量代表了确定的彼此相关的阻抗模量离散度。代表了确定的彼此相关的阻抗模量离散度的变量等于确定的最大的阻抗模量与确定的最小的阻抗模量之间的差。
该设备23随后将计算的代表离散度的变量与预设的阈值相比较。如果该代表的变量比预设的阈值大，则该粒子被认为有一个结构缺陷。如果该代表的变量比预设的阈值小，该粒子被认为无缺陷，就是说，没有任何结构缺陷。
如果该粒子含有结构缺陷，不同的感应线圈的阻抗模量彼此之间将会有很大差异，因为通过不同的线圈时该粒子是旋转的，并且当它通过线圈时不占据与每个线圈相关的同样的相对位置。因此，当粒子通过不同的线圈15时，结构缺陷不占据相同的位置，并且因此确定的阻抗模量在那种情况下有很大的离散度。
相反地，如果该粒子没有任何结构缺陷，则该粒子的自转将不会明显改变不同的线圈15的阻抗模量。该阻抗模量的离散度因此很小。
上述的方法有很多优点。
在粒子的不同的位置而捕获大量的输出信号的事实，允许以非常可靠地方式来辨别非缺陷粒子和有结构缺陷的粒子。
该可靠性会进一步提高，因为在确定粒子是否包含一个结构缺陷时，根据代表与彼此的参数值有关的离散度的变量来执行分析步骤，该参数值是从输出信号确定的。
彼此相关的输出信号的离散度实际上仅对粒子中存在的结构缺陷才敏感。该离散度对该粒子的其它物理参数几乎不敏感。
因为计算的离散度与简单的预设阈值进行比较，所以为了确定粒子是否无缺陷而选择的标准是非常简单的。
该方法允许以特别高的速率检测粒子，因为包含电磁传播的物理现象是特别的迅速，并且另一方面，对捕获的输出信号的处理需要较少量的计算。
为了旋转被检测的粒子，使用例如倾斜的斜坡这样的设备，来确保当粒子包含结构缺陷时在输出信号中能获得很大的离散度。
用以线圈的谐振频率的激励电流工作，允许捕获有较大幅度的输出信号，并且因此便于进行捕获信号的操作。
上述的方法和装置可以有许多变化。
该粒子可以行进到多于或少于5个感应线圈中。例如，它可以行进到仅4个感应线圈，或相反行进到大量感应线圈中，例如，20或30个感应线圈，这些线圈一个设置在另一个上面。
当使用大量感应线圈并因此可以提供(例如，20或30)大量的输出信号时，可以不用通过计算最大信号和最小信号之间的差，而是相反通过使用该组输出信号的标准偏差来计算彼此相关的输出信号的离散度。
该电源39不可以与阻抗计分开，而是与阻抗计整合在一起。
根据本发明的另一具体实施方式，可以在包含一个单个感应线圈和用于将被检测的粒子连续地几次通过单个感应线圈的机械设备的装置中实现本方法。例如，将该线圈包围在一个震荡管中。其可以设在管中心，并且在管的里面提供被检测的粒子。当该管以这样的方式在一侧倾斜时，即该管的第一端较低而第二端较高，球体会沿着该管的底部运动直至该管的第一端并且通过线圈。随后，当该管以相反方向以这样的方式倾斜时，即第二端较低而第一端较高，该粒子沿着该管向相反的方向运动直至第二端，并且再次通过该线圈。以这样的方式，该管可进行多数次倾斜运动，同时收集该粒子每次通过线圈的输出信号。可以如上述解释地来处理输出信号。
用于移动粒子从而具有对该粒子在不同相对的位置的信号的设备可以不是一个倾斜的斜坡，而是可以包含任何其它的旋转该粒子的设备。
用于使被检测的粒子落在该倾斜斜坡25的设备27可以不同于上述设备。例如，斜道29可以是水平的而不是垂直的。可以使用任何其它用于将被检测的粒子依次沉积在该斜坡25上面的机械设备。
进一步，检测装置可以包含一个弯曲的导向部分或偏转装置，能够按照一个沿着线圈15的轴的垂直轨迹定位离开倾斜斜道的较低端37的粒子33。
还可以使用多个阻抗计来替代多通道阻抗计，每个阻抗计对应一个感应线圈，并且将在线圈的末端测量的阻抗传送到数据处理设备。
本发明的方法和装置适用于控制所有类型的高温反应堆的粒子，例如，已知的以HTR(高温反应堆)、HTTR(高温工程试验反应堆)、VHTR(特高温反应堆)、THTR(钍高温反应堆)、GT-MHR(气透平-模块氦冷反应堆)、MHTGR(模块式高温气反应堆)、HTGR(高温气冷堆)、PBMR(球床模块高温反应堆)为缩写的类型。它们还适用于控制所有类型的包含有导电材料层的球形粒子。

Claims (12)

1.一种用于检测球形粒子(1；33)中至少一种结构缺陷的方法，该方法包括至少以下步骤：
-使粒子(1；33)通入至少一个感应线圈(15)；
-激励感应线圈(15)，以便在粒子(1；33)中感应傅科电流；
-在感应线圈(15)的末端捕获输出信号；以及
-分析信号，以便确定粒子(1；33)是否包含结构缺陷；
其特征在于，通过使粒子(1；33)以粒子(1；33)相对线圈的不同位置连续地通过一个或更多个感应线圈(15)来捕获多个输出信号，该感应线圈或每个感应线圈(15)至少在粒子(1；33)每次通过时被激励以便在粒子(1；33)中感应傅科电流，从捕获的信号来确定粒子中结构缺陷的存在；
其中，根据一个变量来执行分析步骤，该变量代表与从输出信号确定的参数值彼此间相关的离散度；
其中，该参数是当粒子(1；33)在感应线圈(15)里面时被激发的感应线圈(15)的阻抗模量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，代表离散度的该变量等于确定的阻抗模量值的最大值和最小值之间的差值。
3.根据权利要求1～2中任一项所述的方法，其特征在于，通过将代表离散度的该变量与预先设定的阈值比较来执行分析步骤。
4.根据权利要求1～2中任一项所述的方法，其特征在于，该感应线圈或每个感应线圈(15)通过频率在30～50MHz的电流来激励。
5.根据权利要求1～2中任一项所述的方法，其特征在于，该感应线圈或每个感应线圈(15)通过具有与该线圈(15)的谐振频率相对应的频率的电流来激励。
6.根据权利要求1～2中任一项所述的方法，其特征在于，在该粒子(1；33)连续地通过感应线圈(15)时，以旋转运动进行移动。
7.根据权利要求1～2中任一项所述的方法，其特征在于，该粒子(1；33)连续地通过至少四个不同的感应线圈(15)。
8.根据权利要求1～2中任一项所述的方法，其特征在于，该粒子(1；33)是核燃料粒子。
9.一种用于执行相据权利要求1～8中任一项所述的用于检测球形粒子(1；33)中至少一种结构缺陷方法的装置(13)，该装置包括：
-多个感应线圈(15)；
-用于将粒子(1；33)以粒子(1；33)的不同位置连续地通入感应线圈(15)的设备(17)；
-用于激励感应线圈(15)以便在粒子(1；33)中感应傅科电流的设备(19)；
-用于在每个感应线圈(15)的末端捕获输出信号的设备(21)；
-用于分析输出信号并且确定粒子(1；33)是否包含结构缺陷的设备(23)。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，感应线圈(15)垂直布置，一个线圈在另一个线圈的上面。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，该装置包含使粒子(1；33)在重力的作用下落下通过叠加的感应线圈(15)的设备(25；27)。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，用于使粒子(1；33)在重力的作用下落下通过叠加的感应线圈(15)的设备(25；27)包含倾斜的斜坡(25)，该斜坡能够移动粒子(1；33)基本直到垂直地在该线圈(15)上方的位置。
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