本發(fā)明屬于無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件中子射線檢測方法。

背景技術(shù)：

目前核燃料元件的射線檢測主要使用常規(guī)的X射線、γ射線。三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件是研究堆燃料元件的典型模型，由內(nèi)外鋁包殼將U₃Si₂-Al彌散體復合材料包覆的三層薄壁復合層組成，通常分為板型元件和管型元件兩大類。U₃Si₂-Al彌散體復合材料線衰減系數(shù)大，X、γ射線穿透能力弱；顆粒度大，底片清晰度小。另外，管型燃料元件三條筋的影響，常規(guī)射線檢測無法準確評價管型燃料原件筋部芯體質(zhì)量。因此，使用常規(guī)的X、γ射線對燃料元件的內(nèi)部質(zhì)量評價難度大。

另外，中子射線檢測在核燃料元件射線檢測中的應用主要是通過高通量中子射線進行乏燃料芯塊內(nèi)部中子毒物的模擬實驗，尚未應用于實物生產(chǎn)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件中子射線檢測方法，能夠?qū)θ剂显M行無損檢測。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件中子射線檢測方法，包括以下步驟：

步驟一：貧鈾材料射線衰減系數(shù)比較；

步驟二：計算與分析間接中子照相實驗條件；

步驟三：計算與分析中子照相實驗曝光時間參數(shù)；

步驟四：三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件中子成像；

步驟五：數(shù)據(jù)處理與成像分析。

步驟一中，比較Fe、²³⁵U、²³⁸U和Pb的X射線衰減系數(shù)。

步驟一中，采用²³⁸U中子射線進行檢測。

步驟二中，中子照相的幾何不清晰度表示為：

式中：為準直比倒數(shù)，T為待檢測樣品厚度；

在實際中子射線照相中，準直比大于10，高質(zhì)量成像準直比大于150，測試位置的中子注量率達到10⁶n/cm²s以上。

步驟二中，利用中子散射譜儀通用模擬軟件，對不同配置方式的測試位置的中子束流品質(zhì)進行模擬計算。

步驟二中，測試位置的中子注量率為2.84×10⁹n/cm²s，中子束的準直比L/D為150。

步驟三中，中子照相間接成像時，中子轉(zhuǎn)換屏在中子束中曝光，轉(zhuǎn)換屏的放射性活度隨其在中子束中曝光時間的關(guān)系為：

停止曝光后，轉(zhuǎn)換屏的放射性活度隨時間的關(guān)系為：

式中：為測試位置的中子注量率；δ為轉(zhuǎn)換屏材料的微觀中子吸收截面；N為轉(zhuǎn)換屏中的原子數(shù)目；λ為轉(zhuǎn)換屏形成放射性子核的衰變系數(shù)，λ＝0.693/τ，τ為半衰期；t₁為轉(zhuǎn)換屏在中子束中的曝光時間，t₂為停止照射后的放射性衰變時間。

步驟三中，轉(zhuǎn)換屏在中子束中曝光時間為t₁，隨后轉(zhuǎn)換屏與數(shù)字成像探測器曝光，當數(shù)字成像探測器獲得的照射量達到K₀時停止曝光，此時間為t₃，t₃利用數(shù)值法根據(jù)t₁求解，根據(jù)公式(4)，轉(zhuǎn)換屏與數(shù)字成像探測器此時獲得的照射量為：

轉(zhuǎn)換屏厚度為0.1mm，測試位置的中子注量率為2.84×10⁹n/cm²s，t₁為1/5τ。

步驟四中，設(shè)計制作100mm×100mm的板型燃料芯坯，為長100mm管型燃料芯坯和長100mm的管型燃料元件進行中子成像。

本發(fā)明的顯著效果在于：

(1)通過本發(fā)明三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件及燃料芯坯的中子射線檢測方法的建立，表明高穿透性的中子完全勝任燃料元件的無損檢測分析。

(2)本發(fā)明方法檢測精度高，通過金相解剖驗證，金相解剖結(jié)果與中子射線檢測結(jié)果誤差僅為±0.02mm。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件中子射線檢測方法，包括以下步驟：

步驟一：貧鈾材料射線衰減系數(shù)比較

表1不同材料中子射線及X射線線衰減系數(shù)

從表1可以看出燃料元件芯體主要成分²³⁵U、²³⁸U的X射線衰減系數(shù)大于屏蔽材料Pb，其X射線穿透能力弱于鉛。常規(guī)320kV固定式X射線機和移動式X射線機穿透A3鋼的能力均為71mm，便攜式X射線機穿透能力僅有50mm。根據(jù)等效計算，320kV固定式X射線機和移動式X射線機能穿透6.9mm的U材料，便攜式X射線機能穿透4.9mm的U材料。因此常規(guī)X射線無法穿透三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料芯坯，而²³⁸U中子的X射線衰減系數(shù)僅是鋼的1/2，因此采用²³⁸U中子射線對工藝驗證階段的貧料三層夾芯結(jié)構(gòu)元件的燃料芯坯和成形后燃料元件進行中子檢測。

步驟二：計算與分析間接中子照相實驗條件

進行中子照相的中子束流準直比(L/D)直接影響空間分辨率，通過選擇準直，可控制中子射線照相的幾何不清晰度。其中中子照相的幾何不清晰度表示為：

式中：為準直比倒數(shù)，T為待檢測樣品厚度。

在實際中子射線照相中，準直比一般大于10，高質(zhì)量成像要求準直比大于150。當測試位置的中子注量率低于10⁵n/cm²s時，需要曝光時間過長，信噪比較低，不利于樣品信息的檢出，另外，間接中子照相方法的中子轉(zhuǎn)換屏為活化屏，轉(zhuǎn)換屏在中子束中曝光時間達到一定限值時，轉(zhuǎn)換屏的活度將趨于飽和，若中子注量率過低則轉(zhuǎn)換屏無法產(chǎn)生足夠的放射性，從而不能得到清晰的檢測成像，要得到清晰的中子照相成像，測試位置的中子注量率需要達到10⁶n/cm²s以上。

利用中子散射譜儀通用模擬軟件VITESS(Virtual Instrumentation Tool for European Spallation Source)，對不同配置方式的測試位置的中子束流品質(zhì)進行模擬計算，測試位置L選擇600cm、光闌直徑D選擇4cm，在此配置下，中子束的準直比及全影區(qū)尺寸滿足實驗要求，同時具有最強的中子注量率。

最終實驗條件確定為：測試位置的中子注量率為2.84×10⁹n/cm²s，中子束的準直比L/D為150。

步驟三：計算與分析中子照相實驗曝光時間參數(shù)

中子照相間接成像時，中子轉(zhuǎn)換屏在中子束中曝光，轉(zhuǎn)換屏的放射性活度隨其在中子束中曝光時間的關(guān)系為：

停止曝光后，轉(zhuǎn)換屏的放射性活度隨時間的關(guān)系為：

式中：為測試位置的中子注量率；δ為轉(zhuǎn)換屏材料的微觀中子吸收截面；N為轉(zhuǎn)換屏中的原子數(shù)目；λ為轉(zhuǎn)換屏形成放射性子核的衰變系數(shù)，λ＝0.693/τ，τ為半衰期；t₁為轉(zhuǎn)換屏在中子束中的曝光時間，t₂為停止照射后的放射性衰變時間。

通過轉(zhuǎn)換屏在中子束中曝光時間范圍的分析，在滿足數(shù)字成像照射量的情況下，轉(zhuǎn)換屏在中子束中曝光時間范圍很寬。通過計算分析，確定轉(zhuǎn)換屏在中子束中曝光時間的最優(yōu)選擇。轉(zhuǎn)換屏在中子束中曝光時間t1選擇1/10τ、1/5τ、1τ、2τ、3τ，分別計算在滿足膠片照射量的情況下，轉(zhuǎn)換屏與膠片的曝光時間t3。

轉(zhuǎn)換屏在中子束中曝光時間為t₁，隨后轉(zhuǎn)換屏與數(shù)字成像探測器曝光，當數(shù)字成像探測器獲得的照射量達到K₀時停止曝光，此時間為t₃，根據(jù)公式(4)，轉(zhuǎn)換屏與數(shù)字成像探測器此時獲得的照射量為：

轉(zhuǎn)換屏厚度為0.1mm，測試位置的中子注量率為2.84×109n/cm2s。t₁分別為1/10τ、1/5τ、1τ、2τ、3τ時，利用數(shù)值法求解t₃，并計算兩次曝光所需的總曝光時間(t₁+t₃)。當轉(zhuǎn)換屏在中子束中曝光為1/5τ時，在數(shù)字成像的照射量滿足要求的情況下，總的曝光時間最短。

步驟四：三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件中子成像

由于三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件屬于研究堆燃料元件，²³⁵U富集度較高，材料受中子輻照后表面活化，因此實驗中采用貧料元件進行中子照相實驗?？紤]到中子射線檢測效率、反應堆運行時間和三維成像時旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的空間，設(shè)計制作100mm×100mm的板型燃料芯坯，為長100mm管型燃料芯坯和長100mm的管型燃料元件進行中子成像。

步驟五：數(shù)據(jù)處理與成像分析

對三維成像的燃料元件進行芯體厚度定點測量，測量點解剖后進行金相檢測，檢出燃料元件內(nèi)部芯體厚度不小于0.02mm的變化，實現(xiàn)三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件內(nèi)部芯體質(zhì)量的有效評價。

三層夾芯結(jié)構(gòu)燃料元件中子射線檢測技術(shù)，目前應用于研究堆U₃Si₂-Al彌散體復合材料擠壓成型燃料元件的檢測中，用于評價燃料元件內(nèi)部質(zhì)量。

采用中國原子能科學研究院的先進研究堆CARR堆中子源，功率60MW，反射層最大未擾熱中子注量率為8×10¹⁴n/cm2s，測試位置的中子注量率為2.84×10⁹n/cm2s，中子束的準直比L/D為150。對100mm長的管型燃料元件進行12s×900次的三維成像。三維圖像可以明確顯示燃料的三維分布，燃料芯體在筋下存在減薄趨勢，在筋兩側(cè)存在增厚現(xiàn)象，其余部位分布基本均勻。對管型燃料元件進行中子三維成像后，測得芯體厚度值與金相解剖值最大誤差僅為0.02mm，檢測結(jié)果一致性良好。