CN103817089B - 球形燃料元件无燃料区的自动检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测领域，提供了一种球形燃料元件无燃料区的自动检测系统及方法。针对现有技术中球形燃料元件无燃料区检测在检测精度、检测速度、检测的可靠性等方面的不足，本发明通过X光无损检测实时成像技术获取球形燃料元件的透射电子图像，并通过对该图像的处理来得到对直径大于400μm的一万多个燃料颗粒在直径大约60mm的燃料元件中的分布情况，并检查特定的区域内是否存在燃料颗粒，最后根据自动检测结果将合格与不合格的球形燃料元件分开以完成自动检测流程。能够实现对球形燃料元件无燃料区的快速自动检测，满足至少2个燃料元件/分钟的检测效率设计指标，并且在一系列验证实验中，可以达到不合格品漏检率0%的检测效果。

Description

球形燃料元件无燃料区的自动检测系统及方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，具体涉及一种球形燃料元件无燃料区的自动检测系统及方法。

背景技术

目前，我国球床式高温气冷堆所使用的球形燃料元件直径为60mm，结构为球形包覆燃料颗粒（TRISO）弥散在直径约为50mm燃料区的石墨基体中。其无燃料区是指从燃料元件外表面沿径向方向沿径向方向向内收缩4-6mm所形成的球壳区域。作为球形燃料元件的结构材料，基体石墨使包覆燃料颗粒获得热工水力学条件，包括将热量传给冷却剂氦气。并作为慢化材料，对快中子有足够的慢化能力，同时还具有一定的滞留裂变产物的能力。

高温气冷堆球形燃料元件无燃料区检验为全检项目，球形燃料元件全部产品均需检测其无燃料区，设计要求无燃料区的厚度距离燃料元件外边界4～6mm。一旦有燃料颗粒出现在无燃料区，在反应堆运行时，燃料元件在磨损、碰撞的情况下，燃料颗粒就有可能会露出来，失去基体石墨的保护。燃料颗粒破裂，其中裂变产物释放出来，污染堆内环境，这样的乏燃料处理更加困难。高温气冷堆球形燃料元件无燃料区检验在实验和工程上均为全检项目，要求设备具有很高的检测效率、检测精度和准确度。

现有的检测球形燃料元件无燃料区的装置或方法，存在以下不足：

（1）现有方法多采用由人工干预的检测手段，工作一段时间后，人会开始疲劳，注意力会下降，反应慢，从而影响检测结果的精度；

（2）现有系统检测效率低，检测周期长：由于透射图像不能全部显示，所以需要多方向旋转才能全方位检测。从而每个元件球的检测时间大约3分钟，无法满足燃料元件规模化每天至少1000元件在线检测要求；

（3）现有系统图像和数据无法直接储存，不合格球无法保留有效证据，无法追溯；

（4）现有系统的球形燃料元件的无燃料区标志线的形状大小固定不能改变，而实际的燃料元件无燃料区的边界之间是有偏差的，所以检测可能会存在遗漏不合格品的状况；

（5）现有系统多采用连续不间断图像，显示的图像由摄像机摄像而来，图像分辨率不高，制约了检测精度的提高。

基于上述原因，现有技术的检测球形燃料元件无燃料区的装置或方法在检测精度、检测速度、检测的可靠性等方面不能满足当前的需要。

发明内容

（一）解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供一种球形燃料元件无燃料区的自动检测系统及方法，能够实现对球形燃料元件无燃料区的快速自动检测，满足至少2个燃料元件/分钟的检测效率设计指标，并且在一系列验证实验中，可以达到不合格品漏检率0%的检测效果。

（二）技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种球形燃料元件无燃料区的自动检测系统，其特征在于，该系统包括：

传输部件，包括用于传输球形燃料元件的传输通道、用于按排队信号截停待检测球形燃料元件的待检元件排队器，和用于按检测结果信号使已检测球形燃料元件通往合格产品通道或不合格产品通道的通道选择器；

检测部件，包括置于所述传输通道上按探测采集信号启动或停止的真空吸盘、按探测采集信号带动真空吸盘水平旋转的旋转装置，和在真空吸盘两侧相对放置的X射线发射器和X射线探测器；

控制部件，包括：

排队控制模块，用于通过向待检元件排队器发送排队信号来使球形燃料元件依次进行检测；

探测采集模块，用于通过向旋转装置和真空吸盘发送探测采集信号来采集多个角度下球形燃料元件的X射线探测信号；

检测模块，用于根据所述X射线探测信号检测对应球形燃料元件是否合格，并向通道选择器发送检测结果信号。

优选地，所述待检元件排队器形如状。

优选地，所述真空吸盘耐X射线辐照，形如圆锥或圆柱，其最大直径的内径小于22mm。

优选地，所述旋转装置为精度不低于150角秒的高精密转台，所述高精密转台采用直接驱动马达。

优选地，所述X射线发射器的焦点尺寸不大于0.4mm。

优选地，所述X射线探测器的空间分辨率优于4线对/毫米。

一种应用如权利要求1至6任意一项所述的系统的球形燃料元件的无燃料区自动检测方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S1：用标准球校正所述系统的运行参数；

步骤S2：待第一个球形燃料元件由传输通道传输通过待检元件排队器后，通过发送排队信号来控制待检元件排队器截停剩余的球形燃料元件；

步骤S3：通过发送探测控制信号控制真空吸盘固定通过待检元件排队器的球形燃料元件；

步骤S4：利用X射线发射器和X射线探测器，通过发送探测控制信号控制旋转装置采集多个角度的该球形燃料元件的X射线探测信号；

步骤S5：解除真空吸盘的固定并将球形燃料元件移出，同时根据所述X射线探测信号判断图像的无燃料区内是否存在燃料颗粒，自动保存不合格燃料元件的透射电子图像，并生成检测结果信号；

步骤S6：根据所述检测结果信号控制通道选择器使已检测球形燃料元件通往合格产品通道或不合格产品通道，同时控制待检元件排队器使下一个球形燃料元件通过，返回步骤S3直至所有球形燃料元件完成检测。

优选地，所述通过发送探测控制信号控制旋转装置采集多个角度的该球形燃料元件的X射线探测信号包括：

每隔5-10度采集一次该球形燃料元件的X射线探测信号，直至已将该球形燃料元件定点旋转至少180°。

优选地，所述根据所述X射线探测信号判断图像的无燃料区内是否存在燃料颗粒包括：

提取图像中该球形燃料元件的外轮廓；

计算所述外轮廓沿径向方向向内收缩固定长度后的内轮廓，所述固定长度大于4毫米且小于6毫米；

所述无燃料区为所述外轮廓与所述内轮廓之间的区域。

优选地，所述步骤S4还包括：

根据球形燃料元件不同角度下的X射线探测信号，利用CT重建软件重建球形燃料元件的三维断层图像，根据该图像统计该球形燃料元件在多个横断面上燃料颗粒的分布情况

（三）有益效果

本发明至少具有如下的有益效果：

本发明可以实现对球形燃料元件无燃料区的快速自动检测。首先，传输通道可以执行球形燃料元件的单列运输，在元件运输至待检元件排队器时，会在排队信号的控制下依次单独进行检测。检测时，元件会先在探测采集信号的控制下被固定在真空吸盘上，并在旋转装置的带动下，由相对X射线发射器与X射线探测器在多个角度下进行X射线成像。根据X射线探测信号，可以由图像处理技术判断球形燃料元件的无燃料区中是否存在燃料颗粒，继而得到其是否合格的检测结果。最后根据检测结果将元件分往合格产品通道或不合格产品通道。连续地对一列球形燃料元件进行同样检测，就可以快速、自动地获取检测信息，同时将合格产品与不合格产品进行分离。只要各个装置能满足旋转控制和图像采集过程的精度要求，就可以获取到足够多、足够清晰的透射电子图像，有利于提升检测精度。相比人工检测而言，本发明精度高、速度快、安全可靠、运行与维护成本低、可拓展性强，同时适用于实验和工程环境，具有很高的应用价值。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例中一种球形燃料元件无燃料区的自动检测系统结构与功能示意图；

图2是本发明一个实施例中一种球形燃料元件无燃料区的自动检测方法流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例提供了一种球形燃料元件无燃料区的自动检测系统，参见图1，该系统包括：

传输部件，包括用于传输球形燃料元件的传输通道（按路径依次为2-4-12或2-4-13）、用于按排队信号截停待检测球形燃料元件的待检元件排队器3，和用于按检测结果信号使已检测球形燃料元件通往合格产品通道12或不合格产品通道13的通道选择器11；

检测部件，包括置于所述传输通道上按探测采集信号启动或停止的真空吸5盘、按探测采集信号带动真空吸盘水平旋转的旋转装置6，和在真空吸盘两侧相对放置的X射线发射器7和X射线探测器8；

控制部件1、9，包括：

排队控制模块，用于通过向待检元件排队器发送排队信号来使球形燃料元件依次进行检测；

探测采集模块，用于通过向旋转装置和真空吸盘发送探测采集信号来采集多个角度下球形燃料元件的X射线探测信号；

检测模块，用于根据所述X射线探测信号检测对应球形燃料元件是否合格，并向通道选择器发送检测结果信号。

其工作流程如下：首先，传输通道可以执行球形燃料元件的单列运输，在元件运输至待检元件排队器时，会在排队信号的控制下依次单独进行检测。检测时，元件会先在探测采集信号的控制下被固定在真空吸盘上，并在旋转装置的带动下，由相对X射线发射器与X射线探测器在多个角度下进行X射线成像。根据X射线探测信号，可以由图像处理技术判断球形燃料元件的无燃料区中是否存在燃料颗粒，继而得到其是否合格的检测结果。最后根据检测结果将元件分往合格产品通道或不合格产品通道。连续地对一列球形燃料元件进行同样检测，就可以快速、自动地获取检测信息，同时将合格产品与不合格产品进行分离。

图1中的装置还包括球形燃料元件收集容器，其与管道尾部相连，球形燃料元件分别自动流入合格产品收集容器14与不合格产品收集容器15。当然完成检测的球形燃料元件也可以由合格产品通道和不合格产品通道导向其他后续处理装置。

优选地，待检元件排队器可以采用形如状的装置。该装置表面光滑，光洁度不低于▽8，只有容纳一个燃料元件的空间，可快速平行移动。这样的装置结构简单，可以通过重复简单的动作执行对元件的导通和截止。排队器的空间只能容纳一个燃料元件，保证待检元件逐个通过排队器进入检测位置，且表面光滑不冗余对燃料元件的表观产生破坏，不易造成卡球，实用性强。

优选地，真空吸盘耐X射线辐照，形如圆锥或圆柱，其最大直径的内径小于22mm。真空吸盘会长期受X射线辐照，所以其材质须可以在X射线辐照环境下长久正常工作。真空吸盘形如圆锥或圆柱，与燃料元件接触没有空隙，从而确保吸盘内真空度，一般要求优于0.3Kpa，保证了燃料元件在高速旋转时不移动、晃动。真空吸盘最大直径的内径小于22mm，是为了保证燃料元件无燃料区分界线在真空吸盘之外，不会对检测造成不必要干扰。

优选地，所述旋转装置为精度不低于150角秒的高精密转台，所述高精密转台采用直接驱动马达。这一设置可以保证旋转控制精度，避免由于角度精度不够而造成的漏检。高精密转台采用直接驱动马达，直接驱动马达配置了高解析度的编码器，因此使该产品可以达到比普通伺服高一个等级的精度。又由于采用直接连接方式，减少了由于机械结构产生的定位误差，使得工艺精度得以保证。而且，高精密转台采用直接驱动无需减速机构，马达与荷重之间有极佳的刚性连接，搭配伺服驱动控制可发挥极佳加速动及运动平稳性。

优选地，X射线发射器的焦点尺寸不大于0.4mm。本发明采用的是微焦点源的光源，在放大比一定的情况下，焦点越小，图像的几何不清晰的程度就越小，这一点是为了保证图像的高分辨率。

优选地，所述X射线探测器的空间分辨率优于4线对/毫米（lp/mm）。本发明实施例具体采用的是非晶硅平板探测器，其量子探测效率极限能力强，优于4lp/mm，而量子探测效率决定了平板探测器对不同组织密度差异的分辨能力。而且非晶硅平板探测器的转换屏由柱状闪烁晶体排列而成，使射线在闪烁体内只能沿直线传播，从而有效地抑制了散射，像素分辨率优于200μm。

实施例2

本发明实施例提出了一种应用如实施例1中任意一种系统的球形燃料元件无燃料区的自动检测方法，参见图2，该方法包括：

步骤S1：用标准球形燃料元件样品校正所述系统的运行参数；

步骤S2：待第一个球形燃料元件由传输通道传输通过待检元件排队器后，通过发送排队信号来控制待检元件排队器截停剩余的球形燃料元件；

步骤S3：通过发送探测采集信号控制真空吸盘固定通过待检元件排队器的球形燃料元件；

步骤S4：利用X射线发射器和X射线探测器，通过发送探测采集信号控制旋转装置来采集多个角度下的该球形燃料元件的X射线探测信号；

步骤S5：解除真空吸盘的固定并将球形燃料元件移出，同时根据所述X射线探测信号判断图像的无燃料区内是否存在燃料颗粒，并生成检测结果信号；

步骤S6：根据所述检测结果信号控制通道选择器使已检测球形燃料元件通往合格产品通道或不合格产品通道，同时控制待检元件排队器使下一个球形燃料元件通过，返回步骤S3直至所有球形燃料元件完成检测。

该方法在检测开始前以一个标准球形燃料元件样品校正了一些在检测过程中须标定设置好的运行参数，具体来说就是将给定尺寸的标准球固定于真空吸盘上，调整真空吸盘与X射线发射器、X射线探测器的相对位置，调整射线源工作参数，使得由X射线探测器得到的透射电子图像中的标准球清晰、完整。相关联的其他运行参数也可以参照这一流程进行校正，这一操作可以保障检测精度。

该方法对应于实施例1所提出的系统，具有对应的技术特征，可以达到相应的技术效果。

优选地，在通过发送探测控制信号控制旋转装置采集多个角度的该球形燃料元件的X射线探测信号时，每隔5-10度采集一次该球形燃料元件的X射线探测信号，直至已将该球形燃料元件定点旋转至少180°。这样的设置一方面是为了避免出现漏检的情况，另一方面是为了加快检测速度。这是因为，X光无损检测实时成像技术测试方法得到X射线透射电子图像，只能得到与射线源垂直面最大投影平面图像，从而只能自动判断当前X射线透射电子图像，不能说明其他视角是否有燃料颗粒在无燃料区内。设计要求任意方位都不能有颗粒出现在无燃料区，所以必须定点平动旋转样品得到不同视角的最大投影平面图像分别进行分析，不同视角的最大投影平面图像越多越判断越精确；平面图像多，检测速度慢，二者成反比关系。这一设计经过大量理论计算，在不落任意颗粒的情况下，取到最小图像数量，满足对检测速度的设计要求。

优选地，在X射线探测信号判断图像的无燃料区内是否存在燃料颗粒时，先提取图像中该球形燃料元件的外轮廓；再计算所述外轮廓沿径向方向向内收缩固定长度后的内轮廓，所述固定长度大于4毫米且小于6毫米；最后取燃料区为所述外轮廓与所述内轮廓之间的区域。这样实际上就是在实时获取燃料球投影的外轮廓，然后将该轮廓沿径向方向向内收缩4-6mm得到无燃料区的内轮廓标准环，从而实现自动标定。这是因为受制造工艺限制，每个燃料球的大小不可能完全一样，从而直接导致不同燃料球无燃料区的投影位置和大小存在差异，因此若用一个固定尺寸和位置的模板来标定无燃料区，将影响检测精度。

优选地，在进行检测时，可以根据球形燃料元件不同角度下的X射线探测信号，利用CT重建软件重建球形燃料元件的三维断层图像，从而统计燃料元件的多个横断面燃料颗粒分布情况。这一方法可以为优化包覆颗粒分散搅拌工艺提供依据，避免燃料元件在高温堆中运行时，局部温度不均。

将上述所有优选条件下的球形燃料元件的无燃料区自动检测系统及方法综合起来，最终经试验测定可以达到不合格品漏检率为0%的技术效果。这基于以下几个方面的保障：在正常工况状态下，在检测精度方面，X射线发射器的焦点尺寸和X射线探测器空间分辨率，以及经过分析计算得到的整体设备的误差大约为200μm，都远远小于检测对象-燃料颗粒直径，燃料颗粒直径大约为400μm，并且用标准球校正图像放大比率；在位检测区域方面，每张图像都与前后相连的提取图像有部分重叠，保证没有遗漏任何区域；在检测模块方面，检测软件能够实时提取图像中该球形燃料元件的外轮廓，并通过计算得到内轮廓线，消除因机加工带来的燃料元件尺寸偏差对测试准确度和精确度产生的影响，并且无燃料区内轮廓标准环比实际设计指标扩张0.5mm，确保检测的无燃料区比实际的略大；另外，通道选择器默认状态是不合格通道，如果设备出现异常时，燃料元件强制进入不合格通道，可以对其进行重新复测或其他操作。

而且，本发明的技术方案在下述设置条件下还可以满足至少2个燃料元件/分钟的检测效率设计指标：控制部件工作站的处理器为高速处理器，主频速度高于2.13GHz；工作站使用的显卡为专业3D显卡，显存大于512MB；成像速度可达30帧/秒，元件每隔5-10°提取1张静态图像，利用形态学闭运算、差运算以及图像分割技术提取出逃逸燃料颗粒投影信息，5秒内实现自动识别至少40张透射图片；元件传输从进到出不超过25秒。

与背景技术相比，本发明在检测过程中不需要人工参与，可以完成无燃料区的自动检测，相比人工干预判断的方法在速度、精度和可靠性上都更有保障；而且，本发明的真空吸盘装置经过尺寸和材质的设计，不会对球形燃料元件造成大面积的遮挡，检测精度更有保障；另外，本发明的装置和方法中，可以提取出多方面的检测信息，也可以将数据保存起来用于其他方面的检测或研究，不仅数据有保留、可追溯，还具有更高的可拓展性；另外，本发明采用高分辨率的X光无损成像方式来进行球形燃料元件的无燃料区的检测，可以充分保障检测图像的精度和检测精度。

在设备验收阶段，进行了一系列实验验证测试系统的安全性、重复性、可靠性。带有编号的50个燃料元件为一组，其中有10个元件为特意制备的不合格样品。在正常的检测条件下，连续检测20次，共计1000次，其检测结果如下表1所示完全相同，检测结果符合正确，没有一个漏检，不合格品漏检率为0%。

表1

综上所述，本发明以本无损检测技术为核心形成一套快速在线检测产品质量的方法。可以达到每分钟检测2个球形元件，并且达到不合格品漏检率为0%的技术效果。能够实现对球形燃料元件无燃料区的快速自动在线检测，并且精度高、速度快、安全可靠、人工成本低、可拓展性强，同时适用于实验与工程环境，具有很高的应用价值，为实现燃料元件规模化生产奠定坚实基础。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种球形燃料元件无燃料区的自动检测系统，其特征在于，该系统包括：

传输部件，包括用于传输球形燃料元件的传输通道、用于按排队信号截停待检测球形燃料元件的待检元件排队器，和用于按检测结果信号使已检测球形燃料元件通往合格产品通道或不合格产品通道的通道选择器；

检测部件，包括置于所述传输通道上按探测采集信号启动或停止的真空吸盘、按探测采集信号带动真空吸盘水平旋转的旋转装置，和在真空吸盘两侧相对放置的X射线发射器和X射线探测器；

控制部件，包括：

排队控制模块，用于通过向待检元件排队器发送排队信号来使球形燃料元件依次进行检测；

探测采集模块，用于通过向旋转装置和真空吸盘发送探测采集信号来采集多个角度下球形燃料元件的X射线探测信号；

检测模块，用于根据所述X射线探测信号检测对应球形燃料元件是否合格，并向通道选择器发送检测结果信号。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待检元件排队器形如状。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述真空吸盘耐X射线辐照，形如圆锥或圆柱，其最大直径的内径小于22mm。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋转装置为精度不低于150角秒的高精密转台，所述高精密转台采用直接驱动马达。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述X射线发射器的焦点尺寸不大于0.4mm。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的系统，其特征在于，所述X射线探测器的空间分辨率优于4线对/毫米。

7.一种应用如权利要求1至6任意一项所述的系统的球形燃料元件的无燃料区自动检测方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S1：用标准球校正所述系统的运行参数；

步骤S2：待第一个球形燃料元件由传输通道传输通过待检元件排队器后，通过发送排队信号来控制待检元件排队器截停剩余的球形燃料元件；

步骤S3：通过发送探测控制信号控制真空吸盘固定通过待检元件排队器的球形燃料元件；

步骤S4：利用X射线发射器和X射线探测器，通过发送探测控制信号控制旋转装置采集多个角度的该球形燃料元件的X射线探测信号；

步骤S5：解除真空吸盘的固定并将球形燃料元件移出，同时根据所述X射线探测信号判断图像的无燃料区内是否存在燃料颗粒，自动保存不合格燃料元件的透射电子图像，并生成检测结果信号；

步骤S6：根据所述检测结果信号控制通道选择器使已检测球形燃料元件通往合格产品通道或不合格产品通道，同时控制待检元件排队器使下一个球形燃料元件通过，返回步骤S3直至所有球形燃料元件完成检测。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通过发送探测控制信号控制旋转装置采集多个角度的该球形燃料元件的X射线探测信号包括：

每隔5-10度采集一次该球形燃料元件的X射线探测信号，直至已将该球形燃料元件定点旋转至少180°。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述X射线探测信号判断图像的无燃料区内是否存在燃料颗粒包括：

提取图像中该球形燃料元件的外轮廓；

计算所述外轮廓沿径向方向向内收缩固定长度后的内轮廓，所述固定长度大于4毫米且小于6毫米；

所述无燃料区为所述外轮廓与所述内轮廓之间的区域。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：

根据球形燃料元件不同角度下的X射线探测信号，利用CT重建软件重建球形燃料元件的三维断层图像，根据该图像统计该球形燃料元件在多个横断面上燃料颗粒的分布情况。