CN107462482A - 一种核燃料元件生坯强度检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核燃料元件生坯强度检测装置，包括底座、竖向滑动机构、夹持机构和测力机构；竖向滑动机构沿竖直方向固定安装在底座上，夹持机构沿水平方向横向布置，夹持机构设有安装部和用于夹持生坯的夹持部，夹持机构的安装部与竖向滑动机构滑动连接，使夹持机构能够沿竖直方向上下滑动，竖向滑动机构能够控制夹持机构竖向滑动的高度；测力机构包括测力传感器和沿水平横向布置的撞击板，撞击板安装于底座上且处于夹持机构夹持部的正下方，测力传感器安装在撞击板上用于检测生坯的撞击力。还提供了一种使用该装置检测芯块强度的方法，能够有效检测燃料芯块所受外部撞击力，具有测量误差小、数据稳定准确和大幅提升检测效率等优点。

Description

一种核燃料元件生坯强度检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及一种核燃料生坯强度检测技术，尤其涉及一种核燃料元件生坯强度检测装置和检测方法。

背景技术

燃料元件生坯，也称为燃料芯块，是一种构建燃料元件而堆叠在包壳内的燃料小块，通常为圆柱形。燃料生坯是燃料元件的核心部分，在核燃料领域中，氧化铀、氧化钍、氧化钚、二氧化铀芯块(UO2)和其它氧化物的应用较为广泛，其中，二氧化铀芯块(UO2)是所有轻水堆、重水堆的主要燃料。目前，国内外核电站广泛采用二氧化铀芯块作为核燃料元件，为了保证反应堆安全运行，对核燃料元件制定了非常严格的质量指标，在诸多质量指标中，燃料生坯的密度和强度占有非常重要的地位。

在对核燃料生坯密度检测方面，目前，大多是采用接触式测量的方式对芯块进行测量，由于机械测量存在机械变形，在绝对测量时会产生较大的误差，甚至可能会划伤被测对象表面，且对操作者要求较高，人为测量时易出现较大的误差；同时，核燃料生坯的几何密度也是影响热导率、反应性和抗震性至关重要的因素。为此，发明人曾申请了“一种核燃料芯块几何密度测量方法及其系统”，公开号为CN105571983A，通过较快地、高精度测量核燃料芯块的外形尺寸和质量来计算核燃料芯块的密度，减小了芯块密度测量的误差，提高了测量精度。

在对核燃料生坯强度检测方面，由于核燃料二氧化铀芯块中铀的密度较低，芯块的导热系数仅为金属铀的十几分之一，易引起芯块局部过热或影响芯块向冷却剂传热，且芯块是由燃料粉末捏制而成，因此燃料芯块具有质硬且脆的特性，跌落或碰撞时易产生碎屑，非常不利于加工和运输。因此，在对芯块进行加工或运输前对芯块的强度进行检测是十分必要的。目前，国内对核燃料元件生坯强度的检测采取抽样检测的方式，以手工检测为主，手工检测的流程为：第一步、对燃料芯块称重获取其初始重量，第二步、对燃料芯块施加外部冲击力使之产生碎裂，第三步、称重获取经冲击后的芯块质量，第四步、经过计算公式换算出芯块强度，其计算公式为：燃料芯块强度＝(试验前质量-试验后质量)/试验前质量。如此测量芯块强度的原理是，燃料芯块受到外部冲击力产生碎裂后，其碎裂部的粉粒掉落，使得受冲击后的芯块质量减少，通常芯块强度越差则受冲击后碎裂掉落的粉粒量越大、芯块质量减少越多，因此可以通过计算(试验前质量-试验后质量)/试验前质量的值，来表征芯块强度。然而，手工检测芯块强度存在以下不足：1、前述对燃料芯块施加外部冲击力的过程一般是将芯块竖直夹持于某机构中，确认芯块锁死后，操作压板从上往下施加冲击力，但不能对冲击力大小进行检测，由于每次外部提供的冲击力不一定，冲击力较大时可能导致碎裂掉落的粉粒量较多，冲击力较小时可能导致碎裂掉落的粉粒量较少，从而使得芯块强度检测的误差大，可靠性不高。2、由于手工检测无法精确控制外部冲击力，因此，对于同一燃料芯块多次检测时，手工检测结果的重复性误差会比较大。3、用手工检测只能检测芯块竖直方向的强度，即只能测量芯块单一方向受冲击力的情况，若芯块的某部位强度较高，其他部位强度较低，此时芯块强度的测量数据就十分不准确、稳定性差，不能反映芯块的整体强度。4、燃料芯块强度计算不合理，计算时未考虑到燃料芯块受到的冲击力，导致芯块强度检测结果准确性差。5、手工测量单一芯块，往往耗时2分钟以上，检测效率低，已经不能满足现代化生产线的效率要求。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能够有效检测燃料芯块所受外部撞击力的装置，同时，本发明还提供了使用该装置测量芯块强度的检测方法，具有测量误差小、数据稳定准确和大幅提升检测效率等优点。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种核燃料元件生坯强度检测装置，包括底座、竖向滑动机构、夹持机构和测力机构；所述竖向滑动机构沿竖直方向固定安装在底座上，所述夹持机构沿水平方向横向布置，夹持机构设有安装部和用于夹持生坯的夹持部，夹持机构的安装部与竖向滑动机构滑动连接，使夹持机构能够沿竖直方向上下滑动，竖向滑动机构能够控制夹持机构竖向滑动的高度；所述测力机构包括测力传感器和沿水平横向布置的撞击板，所述撞击板安装于底座上且处于夹持机构夹持部的正下方，所述测力传感器安装在撞击板上用于检测生坯的撞击力。

作为优选，所述竖向滑动机构为电缸，所述夹持机构安装部与电缸滑台连接。

作为优选，还包括旋转分度台，所述旋转分度台安装在夹持机构和电缸滑台之间，旋转分度台设有固定座和卡盘，旋转分度台的固定座与电缸滑台固定连接，旋转分度台的卡盘竖向设置，夹持机构安装部固定安装在旋转分度台的卡盘上。

作为优选，还包括第一拖链转接盒、第二拖链转接盒和拖链，第一拖链转接盒沿竖直方向安装在底座上，第二拖链转接盒安装在电缸上且与电缸滑台固定连接，拖链安装在第一拖链转接盒和第二拖链转接盒之间。

作为优选，还包括安装在底座上的激光测距仪，所述激光测距仪的光线射出端沿竖直方向朝向第二拖链转接盒，激光测距仪能够测量其光线射出端到第二拖链转接盒竖向间的距离。

作为优选，所述测力机构包括安装在底座顶部且处于夹持机构夹持部正下方的调整平台，撞击板安装在所述调整平台上方，所述调整平台设有至少三个调平脚，能够对调整平台进行调平。

作为优选，在撞击板和调整平台间还安装有支撑机构，支撑机构竖向安装且其底端和调整平台固定连接，支撑机构顶端抵接在测力传感器的底部。

作为优选，所述底座底部至少安装有三个机脚。

一种核燃料元件生坯强度检测方法，包括以下步骤：

S101：对待测燃料芯块称重获取其检测前质量，并通过夹持机构的夹持部夹持住燃料芯块；

S102：通过竖向滑动机构控制夹持机构竖向滑动的高度，夹持机构到达预设高度后，控制夹持机构夹持部松开，让芯块沿竖直方向自由掉落到撞击板上；

S103：测力传感器测量燃料芯块和撞击板间的瞬间撞击力，对撞击后的燃料芯块称重获取其撞击后质量；

S104：根据测力传感器测量的撞击力来计算燃料芯块的强度，计算公式为：燃料芯块强度＝(检测前质量-撞击后质量)/(检测前质量×撞击力)。

10、如权利要求9所述的核燃料元件生坯强度检测方法，其特征在于，还包括步骤S105：按预设次数重复执行步骤S101～S104，每次均通过控制旋转分度台卡盘转动指定角度，来控制芯块的掉落姿态，使得每次芯块用不同的部位和撞击板发生撞击；从而得到多组芯块强度的测量数据，通过平均值法得到该芯块的平均强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明提供的核燃料元件生坯强度检测装置，能够对燃料芯块受到的外部冲击力进行有效检测，燃料芯块受外部冲击力的检测过程：通过夹持机构的夹持部夹持住燃料芯块，竖向滑动机构控制夹持机构竖向滑动的高度，控制夹持机构夹持部松开，芯块从预设的高度掉落到撞击板上，测力传感器测量芯块和撞击板间的瞬间撞击力。根据测力传感器测量的撞击力来计算燃料芯块的强度，芯块强度的检测结果误差小、检测数据稳定可靠。

2、本发明提供的核燃料元件生坯强度检测装置中，通过竖向滑动机构能够控制夹持机构竖向滑动的高度，对于同一燃料芯块进行多次检测时，可以控制芯块掉落的高度一定，同时让芯块保持相同的掉落姿态，若芯块质量不变，则燃料芯块与撞击板间每次的瞬间撞击力度应相同，极大地减小了重复检测时的误差，经试验，重复性测量的误差可以控制在1％以内。

3、本发明提供的核燃料元件生坯强度检测装置中，旋转分度台的卡盘与夹持机构安装部固定连接，旋转分度台的卡盘可以进行转动，转动角度可精确控制，进而可控制夹持机构进行精确转动，以控制燃料芯块下落的姿态，燃料芯块可以在0～360度内以任意姿态跌落。对于同一燃料芯块，可以让芯块不同部位撞击撞击板，从而来检测芯块各个部位的强度，芯块强度检测的数据稳定、可靠性高，能够反映燃料芯块的整体强度，同时也可以判断芯块强度是否均匀。

4、本发明提供的核燃料元件生坯强度检测方法，燃料芯块强度的计算公式为：燃料芯块强度＝(检测前质量-撞击后质量)/(检测前质量×撞击力)。用该方法测量芯块强度的原理是，燃料芯块受到撞击力后产生碎裂，碎裂部的碎屑掉落，使得撞击后的芯块质量减少，通常芯块强度越差则受撞击力后碎裂掉落的碎屑越多、芯块质量减少越多，可以通过芯块质量的变化来判断芯块强度；同时，我们也需要考虑芯块受撞击力不同的因素，一般而言，芯块受到的撞击力越大可能碎裂掉落的碎屑就会越多，受到的撞击力越小可能碎裂掉落的碎屑越少；所以，在采用通过撞击芯块的方式来检测芯块强度时，应该同时考虑芯块质量的变化和撞击力大小两方面的因素，才能准确测量芯块强度。

5、本发明提供的核燃料元件生坯强度检测方法，在30秒内即可完成一次检测，检测效率高，能满足现代化生产线的效率要求。

附图说明

图1为本发明实施例中核燃料元件生坯强度检测装置的立体图；

图2为本发明实施例中核燃料元件生坯强度检测装置的侧面视图；

图3是图2中部位A的局部放大图；

图4为本发明实施例中核燃料元件生坯强度检测流程图。

附图标记：

1、底座；2、电缸；3、夹持机构；4、撞击板；5、测力传感器；6、旋转分度台；7、第一拖链转接盒；8、第二拖链转接盒；9、拖链；10、激光测距仪；11、调整平台；12、挡板；13、机脚；14、电缸安装支架。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

最优实施例：

参照图1～图3，一种核燃料元件生坯强度检测装置，包括底座1、竖向滑动机构、夹持机构3和测力机构；所述竖向滑动机构沿竖直方向固定安装在底座上，所述夹持机构沿水平方向横向布置，夹持机构设有安装部和用于夹持生坯的夹持部，夹持机构的安装部与竖向滑动机构滑动连接，使夹持机构能够沿竖直方向上下滑动，竖向滑动机构能够精确控制夹持机构竖向滑动的高度；所述测力机构包括测力传感器4和沿水平横向布置的撞击板5，所述撞击板安装于底座上且处于夹持机构夹持部的正下方，所述测力传感器安装在撞击板上用于检测生坯的撞击力。

本申请中，燃料芯块受外部冲击力的检测过程：通过夹持机构的夹持部夹持住燃料芯块，竖向滑动机构精确控制夹持机构竖向滑动的高度，控制夹持机构夹持部松开，芯块从预设的高度掉落到撞击板上，测力传感器测量芯块和撞击板间的瞬间撞击力。根据测力传感器测量的撞击力来计算燃料芯块的强度，芯块强度的检测结果误差小、检测数据稳定可靠。

上述核燃料元件生坯强度检测装置中，所述竖向滑动机构为电缸2，所述夹持机构安装部与所述电缸滑台连接。电缸是一种将伺服电机与丝杠一体化的产品，将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，伺服电机能精确控制转动速度，则可以精确控制电缸滑台在竖向的滑动高度，从而精确控制夹持结构在竖向的滑动高度。

本申请中，通过电缸能够精确控制夹持机构竖向滑动的高度，对于同一燃料芯块进行多次检测时，可以控制芯块掉落的高度一定，同时让芯块保持相同的掉落姿态，若芯块质量不变，则燃料芯块与撞击板间每次的瞬间撞击力度应相同，极大地减小了重复检测时的误差，经试验，重复性测量的误差可以控制在1％以内。

上述核燃料元件生坯强度检测装置中，还包括旋转分度台6，所述旋转分度台安装在夹持机构和电缸滑台之间，旋转分度台设有固定座和卡盘，旋转分度台的固定座与电缸滑台固定连接，旋转分度台的卡盘竖向设置，夹持机构安装部固定安装在旋转分度台的卡盘上。

本申请中，旋转分度台的卡盘与夹持机构安装部固定连接，旋转分度台的卡盘可以进行转动，转动角度可精确控制，进而可控制夹持机构进行精确转动，以控制燃料芯块下落的姿态，燃料芯块可以在0～360度内以任意姿态跌落。对于同一燃料芯块，可以让芯块不同部位撞击撞击板，从而来检测芯块各个部位的强度，芯块强度检测的数据稳定、可靠性高，能够反映燃料芯块的整体强度，同时也可以判断芯块强度是否均匀。

上述核燃料元件生坯强度检测装置中，还包括第一拖链转接盒7、第二拖链转接盒8和拖链9，第一拖链转接盒沿竖直方向安装在底座上，第二拖链转接盒安装在电缸上且与电缸滑台固定连接，拖链安装在第一拖链转接盒和第二拖链转接盒之间。本申请中用的拖链是柔性的，夹持机构夹持部的夹紧和松开可以通过控制器进行控制，控制器和夹持机构间用线缆通信，拖链可以用来收纳夹持机构的线缆，避免线缆在上身下降过程中在空中摇晃。

上述核燃料元件生坯强度检测装置中，还包括安装在底座上的激光测距仪10，所述激光测距仪的光线射出端沿竖直方向朝向第二拖链转接盒，激光测距仪能够测量其光线射出端到第二拖链转接盒竖向间的距离。知道激光测距仪光线射出端与第二拖链转接盒竖向间的距离后，因为夹持机构和第二拖链转接盒间的高度一定、激光测距仪光线射出端与底座间的高度一定，通过换算，能够计算出夹持机构与撞击板间的高度，从而计算出燃料芯块与撞击板间的高度。

上述核燃料元件生坯强度检测装置中，所述测力机构包括安装在底座顶部且处于夹持机构夹持部正下方的调整平台11，撞击板安装在所述调整平台上方，所述调整平台设有至少三个调平脚，能够对调整平台进行调平。调整平台用于对撞击板进行二次调平，使撞击板处于水平状态。

上述核燃料元件生坯强度检测装置中，在撞击板和调整平台间还安装有支撑机构，支撑机构竖向安装且其底端和调整平台固定连接，支撑机构顶端抵接在测力传感器的底部。所述测力传感器采用镶套粘接的方式安装在撞击板上，测力传感器在实际安装过程中有两种方式，若仅使用一个测力传感器，则安装在撞击板的中部，让测力传感器顶部和撞击板固定连接，测力传感器底部由支撑机构紧紧抵接，让测力传感器能够灵敏精确地检测撞击力；若有多个测力传感器，可以以撞击板中间位置为中心将多个测力传感器按三角形、四边形等形状分布安装在撞击板上。

上述核燃料元件生坯强度检测装置中，所述撞击板的周侧边沿固定连接有向上倾斜的挡板。设置挡板是为了防止燃料芯块掉落到撞击板上后跌出撞击板，若芯块跌出撞击板掉落到地上，会和底面产生二次撞击，让芯块出现新的破损，就不能再通过测量芯块质量的方法来计算芯块强度了，只能舍弃此次测量的数据。

上述核燃料元件生坯强度检测装置中，所述底座底部至少安装有三个机脚，通过对机脚进行微调，使得底座处于水平状态。

一种核燃料元件生坯强度检测方法，包括以下步骤：

S101：对待测燃料芯块称重获取其检测前质量，并通过夹持机构的夹持部夹持住燃料芯块；

S102：通过竖向滑动机构控制夹持机构竖向滑动的高度，夹持机构到达预设高度后，控制夹持机构夹持部松开，让芯块沿竖直方向自由掉落到撞击板上；

S103：测力传感器测量燃料芯块和撞击板间的瞬间撞击力，对撞击后的燃料芯块称重获取其撞击后质量；

S104：根据测力传感器测量的撞击力来计算燃料芯块的强度，计算公式为：燃料芯块强度＝(检测前质量-撞击后质量)/(检测前质量×撞击力)。

本发明中燃料芯块强度的计算公式为：燃料芯块强度＝(检测前质量-撞击后质量)/(检测前质量×撞击力)。用该方法测量芯块强度的原理是，燃料芯块受到撞击力后产生碎裂，碎裂部的碎屑掉落，使得撞击后的芯块质量减少，通常芯块强度越差则受撞击力后碎裂掉落的碎屑越多、芯块质量减少越多，可以通过芯块质量的变化来判断芯块强度；同时，我们也需要考虑芯块受撞击力不同的因素，一般而言，芯块受到的撞击力越大可能碎裂掉落的碎屑就会越多，受到的撞击力越小可能碎裂掉落的碎屑越少；所以，在采用通过撞击芯块的方式来检测芯块强度时，应该同时考虑芯块质量的变化和撞击力大小两方面的因素，才能准确测量芯块强度。

上述核燃料元件生坯强度检测方法，还包括步骤S105：按预设次数重复执行步骤S101～S104，每次均通过控制旋转分度台卡盘转动指定角度，来控制芯块的掉落姿态，使得每次芯块用不同的部位和撞击板发生撞击；从而得到多组芯块强度的测量数据，通过平均值法得到该芯块的平均强度。指定角度，就是预先设定某个角度，例如指定角度为10度，即表示旋转分度台卡盘每次转动10度，从而控制芯块在竖向面内按一定的旋转方向转动10度，让芯块以不同的姿态掉落，达到让芯块每次用不同的部位和撞击板撞击的目的。通过上述方法可以测量同一燃料芯块的平均强度，可以让同一芯块的不同部位撞击撞击板，从而来检测芯块各个部位的强度，芯块强度检测的数据稳定、可靠性高，能够反映燃料芯块的整体强度，同时也可以判断芯块强度是否均匀。经试验，检测同一燃料芯块强度的预设次数一般为5～10次即可较为准确地检测芯块的平均强度，对应地指定角度可以设为36度～72度。

具体实施时，底座采用大理石制造的；还安装有电缸安装支架14，可以提高电缸安装的稳定性；用本装置来检测燃料芯块的强度，在30秒内即可完成一次检测，检测效率高，能满足现代化生产线的效率要求。本申请中，燃料芯块要做自由落体运动，同时还需测量撞击板与夹持机构间的高度，所以要求底座处于水平状态。

本申请中，根据公式可以得到：

燃料芯块跌落的撞击板由硬质不锈钢板制成，因此芯块跌落时与撞击板的接触时间t可以认定为一个常数。由此可得：对于同一质量芯块，其跌落高度与受到的撞击力唯一对应。因此，如果实现了芯块跌落高度的精确控制，便实现了对芯块撞击力度的精确控制。本装置将电缸和激光测距仪结合，对芯块跌落高度的控制精度达到0.01mm。

通过本发明的装置和方法测量出芯块强度数据后，可以验证当前这一批次芯块产品是否有强度问题，若有问题，则需要重新再加工处理，同时还可以分析不同批次芯块产品中芯块强度的分布规律。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明当中。

Claims (10)

1.一种核燃料元件生坯强度检测装置，其特征在于，包括底座、竖向滑动机构、夹持机构和测力机构；所述竖向滑动机构沿竖直方向固定安装在底座上，所述夹持机构沿水平方向横向布置，夹持机构设有安装部和用于夹持生坯的夹持部，夹持机构的安装部与竖向滑动机构滑动连接，使夹持机构能够沿竖直方向上下滑动，竖向滑动机构能够控制夹持机构竖向滑动的高度；所述测力机构包括测力传感器和沿水平横向布置的撞击板，所述撞击板安装于底座上且处于夹持机构夹持部的正下方，所述测力传感器安装在撞击板上用于检测生坯的撞击力。

2.如权利要求1所述的核燃料元件生坯强度检测装置，其特征在于，所述竖向滑动机构为电缸，所述夹持机构安装部与电缸滑台连接。

3.如权利要求2所述的核燃料元件生坯强度检测装置，其特征在于，还包括旋转分度台，所述旋转分度台安装在夹持机构和电缸滑台之间，旋转分度台设有固定座和卡盘，旋转分度台的固定座与电缸滑台固定连接，旋转分度台的卡盘竖向设置，夹持机构安装部固定安装在旋转分度台的卡盘上。

4.如权利要求2所述的核燃料元件生坯强度检测装置，其特征在于，还包括第一拖链转接盒、第二拖链转接盒和拖链，第一拖链转接盒沿竖直方向安装在底座上，第二拖链转接盒安装在电缸上且与电缸滑台固定连接，拖链安装在第一拖链转接盒和第二拖链转接盒之间。

5.如权利要求4所述的核燃料元件生坯强度检测装置，其特征在于，还包括安装在底座上的激光测距仪，所述激光测距仪的光线射出端沿竖直方向朝向第二拖链转接盒，激光测距仪能够测量其光线射出端到第二拖链转接盒竖向间的距离。

6.如权利要求1所述的核燃料元件生坯强度检测装置，其特征在于，所述测力机构包括安装在底座顶部且处于夹持机构夹持部正下方的调整平台，撞击板安装在所述调整平台上方，所述调整平台设有至少三个调平脚，能够对调整平台进行调平。

7.如权利要求6所述的核燃料元件生坯强度检测装置，其特征在于，在撞击板和调整平台间还安装有支撑机构，支撑机构竖向安装且其底端和调整平台固定连接，支撑机构顶端抵接在测力传感器的底部。

8.如权利要求1所述的核燃料元件生坯强度检测装置，其特征在于，所述底座底部至少安装有三个机脚。

9.一种核燃料元件生坯强度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101：对待测燃料芯块称重获取其检测前质量，并通过夹持机构的夹持部夹持住燃料芯块；

S102：通过竖向滑动机构控制夹持机构竖向滑动的高度，夹持机构到达预设高度后，控制夹持机构夹持部松开，让芯块沿竖直方向自由掉落到撞击板上；

S103：测力传感器测量燃料芯块和撞击板间的瞬间撞击力，对撞击后的燃料芯块称重获取其撞击后质量；

S104：根据测力传感器测量的撞击力来计算燃料芯块的强度，计算公式为：燃料芯块强度=（检测前质量-撞击后质量）/（检测前质量×撞击力）。

10.如权利要求9所述的核燃料元件生坯强度检测方法，其特征在于，还包括步骤S105：按预设次数重复执行步骤S101~S104，每次均通过控制旋转分度台卡盘转动指定角度，来控制芯块的掉落姿态，使得每次芯块用不同的部位和撞击板发生撞击；从而得到多组芯块强度的测量数据，通过平均值法得到该芯块的平均强度。