300MW燃料棒隔热块γ扫描数据处理方法改进
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作者:李阵德 宋磊 杨森 李梓晗
摘 要：根据历年来对300MW燃料棒γ扫描检测发现，在燃料棒γ扫描检测中存在隔热块检查结果的误判现象，主要存在隔热块测量计数值超限或位置错误等的误判。本文通过对隔热块数据处理方法的改进，解决了隔热块上述类型的误判现象，结果表明改进后的数据处理与判定方法可以进一步提高300MW燃料棒对隔热块检测的可靠性。
关键词：300MW燃料棒 隔热块 γ扫描
中图分类号：TL364 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0081-02
1 燃料棒γ扫描检测装置
241Am γ射线检测装置实现300MW燃料棒内UO2芯块间隙、弹簧空腔和上下端隔热块的检测，检测装置由241Am放射源、NaI探测器、传动装置、上下料机构、控制机构、核电子仪器和计算机测量与数据处理软件组成。燃料棒γ扫描检测装置示意图见图1。
2 燃料棒内零部件排列状态γ扫描测量原理
300MW燃料棒内UO2芯块间隙、弹簧空腔和上下端隔热块采用γ射线吸收法检查。利用241Am γ放射源所放出的能量为59.5KeV特征γ射线，对燃料棒扫描[1]。当燃料棒匀速通过放射源时穿过燃料棒的γ射线被探测器获得，由于γ射线对不同材料的吸收系数有差异，则穿过不同材料后的γ射线强度有一定变化，根据测得的γ射线计数值与标准棒的对应位置计数值比较后来判定燃料棒内UO2芯块、隔热块和弹簧空腔是否满足燃料棒技术要求[2]。
3 300MW燃料棒γ扫描
3.1 300MW燃料棒γ扫描
图2为300MW燃料棒内填装的弹簧和隔热块实物图像，被测燃料棒通过检测装置扫描后可获得图3的燃料棒内部γ计数分布图谱，从中可看到，燃料棒内不同材料其测得的γ计数值不完全相同，从Y轴可以看到UO2芯块的γ计数值很低，其γ射线大部分被它吸收，弹簧区域由于存在一定的空腔它吸收的γ射线较少，其测得的计数值比UO2芯块要高，隔热块与芯块大小一致但密度比芯块要小，因此它测得的γ计数值也比较高，这样根据不同零部件测量得到计数值差异来判定隔热块等零部件在燃料棒中的位置和大小是否与标准棒一致。
3.2 300MW燃料棒下端隔热块γ扫描测量
从图3中扫描数据可看出，下端隔热块填装于芯块端部与下端塞之间，其两端材料的密度很高，很容易判断找到其起始点和终止点，其下端隔热块局部扫描数据见图4，从图4中可以很容易分辨出隔热块的扫描数据。
3.3 300MW燃料棒上端隔热块γ扫描测量
300MW燃料棒上端隔热块填装于上端芯块柱的端部与压紧弹簧之间，为了调整空腔长度，可以用10mm或者5mm隔热块填装，由于弹簧和隔热块的吸收γ射线的能力相当，因此它们的扫描数据相差不大，仅仅依靠弹簧端部几圈密实区的扫描数据差异来分辨。当填装5mm的隔热块时其数据的分辨会更难，甚至不能分辨出来，这给300MW燃料棒隔热块γ扫描带来了误判。
4 300MW燃料棒隔热块测量结果分析
4.1 300MW燃料棒隔热块γ扫描结果误判现象
较早对300MW燃料棒隔热块采用与标准棒隔热块所对应的γ计数累计值进行判定，根据标准棒测量数据计算出10mm和5mm隔热块所对应的判废限来判定被测燃料棒隔热块大小是否一致，这一判定方法对于相同密度隔热块来说可以适用，当隔热块产品出现其密度波动时，其γ扫描获得隔热块的γ计数累计值也会出现波动，导致被测得的隔热块计数累计值超出判废上限或低于判废下限。
另外在上端隔热块数据处理上單纯寻找弹簧计数值与隔热块计数值临界点的最低点时容易出错，因为最低点不一定是真正要找的临界点，导致隔热块的位置找错会产生一定误判。
4.2 隔热块密度差异γ扫描结果分析
热块的测量要求是要检查它的位置及块数是否符合技术要求，隔热块的判定是以测量隔热块的累计计数值与标准棒计算出判废限进行比较来判定，从历年测量情况看这种判定方法存在误判的缺陷，在隔热块其密度不一致时，其γ扫描得到的计数累计值也不一样，这样与标准棒隔热块判废限比较会导致超限而误判。以10mm隔热块为例，找到了两种密度与标准棒不一致隔热块的产品各一支重复测试20次。
分析测试结果表明，对于低密度隔热块重复测量数据中存在超出隔热块判废上限现象。高密度隔热块测量中也存在低于判废下限的现象。因此，用计数法来判定隔热块就存在这一误判缺陷。
4.3 隔热块与弹簧位置定位错误结果分析
300MW燃料棒的上端隔热块填装于上端芯块柱与压紧弹簧之间，为了调整空腔长度，这个位置允许填装1块10mm或5mm的隔热块，当填装5mm隔热块时由于其测量计数值与弹簧计数值差异不大，而且难以区别其准确位置，出现误判的几率就增大。由于原有判定上端隔热块主要是找出弹簧计数值与隔热块计数值最低点来定位隔热块的起始点，而γ扫描测量计数值统计涨落较大，往往找到的临界点不是隔热块的起始点，这样有可能把10mm隔热块由于起始点定位错误判定2块或者1块5mm，也有把5mm为判定为1块10mm误判现象。
因此，要测量出上端隔热块就必须准确定位隔热块与弹簧临界点，才能准确测量出隔热块。从图4的上端隔热块扫描图谱可看到，10mm隔热块计数值比弹簧计数值高，而5mm隔热块的计数值与弹簧计数值相对一个水平，给上端隔热块的测量带来了困难。
5 改进隔热块γ扫描的数据处理
5.1 采用计数点处理隔热块数据
用计数值判定法改为计数点判定法，即原来对隔热块起始点与终止点之间所有点的计数值进行累计后判定，现在采用隔热块起始点与终止点之间所有点的点数进行累计后判定。用计数点的方法可以完全消除因隔热块密度变化的影响，而且用计数点方法处理后可以直接计算其隔热块长度。通过与标准棒计算隔热块长度的判废限来判定被测燃料棒，用密度与标准棒不一致产品重复测试20次。
5.2 优化隔热块定位
虽然分辨弹簧与上端隔热块临界点存在困难，但从扫描数据分析可看出，在弹簧与上端隔热块结合处其扫描数据有一定趋势，由于上端隔热块与弹簧端部接触处其弹簧端部几圈比较紧密，给区分它们之间的临界点创造了机会，虽然γ射线统计涨落较大，但通过蒙特卡罗规律和数据平滑处理原理可以准确定位它们的临界点，保证上端隔热块精准测量[3]。
6 结语
通过改进300MW燃料棒隔热块γ扫描数据处理方法以及对扫描数据精准定位，可以准确确定下端和上端隔热块长度和位置，解决了对隔热块测量的误判。
采用点数法判定隔热块可以完全消除受隔热块密度不一致的影响。采用蒙特卡罗规律和扫描数据平滑原理进行优化数据处理方法，能精准判定出隔热块位置及计算其长度值。通过以上改进可进一步提高对隔热块测量可靠性，减少隔热块测量的误判产生。
参考文献
[1] 刘兰华，刘南陔.无损检测技术在核工业中的应用[M].北京：原子能出版社，1999.
[2] 邓景珊，朱国胜，周呈方，等.新一代核燃料棒UO2芯块间隙检测设备研制[J].核电子学与探测技术，2004（2）：121-125.
[3] 肖刚，李天柁.系统可靠性分析中的蒙特卡罗方法[M].北京：科学出版社，2003.
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