[发明专利]一种核燃料芯块几何密度测量方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种核燃料芯块的密度测量技术，尤其是一种核燃料芯块几何密度测量方法及其系统。

背景技术

当前，能源短缺与环境污染是制约国民经济进一步发展的重要因素。核电是一种经济、清洁、安全、可靠的新能源，在环境污染问题和能源危机问题越来越严重的背景下，核电即将迎来发展新高峰。核电发展的重要制约因素是安全问题，核燃料芯块的参数控制在安全防护中处于核心地位。

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，芯块的高度、直径、几何密度等参数占有非常重要的地位。这是因为，核燃料芯块的几何尺寸决定芯块和包壳管的结合状态，包壳和芯体的间隙以及芯棒在包壳中的位置对称性，将影响核燃料的导热和径向温度的分布以及辐照效应，同时，核燃料芯块的几何密度是影响热导率、反应性和抗震性至关重要的因素。芯块的几何尺寸对于核反应堆燃烧的安全和效率至关重要：直径过大，燃烧时芯块会挤破包壳管的管壁。芯块和包壳管的变形会极大减少核燃料的寿命，影响核反应效率和安全性。为了缓解这些PCI作用，改进芯块端部几何设计的相关研究已经广泛开展，常见的一种二氧化铀芯块的外形如图1所示，二氧化铀芯块整体呈圆柱状，其两端的端面具有倒角，且每个端面上还具有同轴设置的碟型凹陷部；芯块两端面的碟形凹陷部可以补偿中心部轴向辐照膨胀，而倒角可以补偿端部的径向辐照膨胀；但碟形凹陷部和倒角的尺寸需保持在一个合适的范围内，才能精确的补偿轴向和径向膨胀。所以，为了控制反应堆的传热和反应性以及便于更换元件，核燃料芯块的几何密度必须控制在设计标准内。

在目前核燃料芯块生产现场中，一般采用接触式测量的方式对芯块进行测量。该方式主要存在一下问题：1、接触测量中机械作用是绝对存在的，因而测量仪器或被测对象可能在测量过程中产生机械形变，在绝对测量时产生的误差较大，甚至可能划伤被测对象表面。2、接触式时测量仪器对于操作者的要求比较高，测量人员引入的人为误差较大。3、测量工位较多，测量效率低。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种测量精度高，测量速度较快的能够检测核燃料芯块外形尺寸以及质量，并计算核燃料芯块密度的核燃料芯块密度测量方法及其系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种核燃料芯块几何密度测量方法，包括如下步骤，获取待测芯块的质量，测量待测芯块的外形尺寸，通过待测芯块的外形尺寸计算待测芯块的体积，最后用质量除以体积得到待测芯块的密度；其特征在于，所述测量待测芯块的外形尺寸的步骤中还包括测量待测芯块的直径和高度以及测量待测芯块的端面尺寸；所述测量待测芯块的直径和高度包括以下步骤：

1）将待测芯块竖直放置，采用均一平行光水平照射到待测芯块上，再采用二维面阵CMOS传感器获取待测芯块被照射的正投影图像；

2）对二维面阵CMOS传感器获取的正投影图像进行图像边缘检测，提取待测芯块的二维轮廓，并进行倾斜校正，在测量区域沿高度方向提取多个直径的像素参数和沿宽度方向提取多个高度的像素参数；

3）将提取的多个直径的像素参数和提取的多个高度的像素参数均取平均值，然后分别与二维面阵CMOS传感器的标定参数相乘，计算获得待测芯块的直径和高度尺寸；

所述测量待测芯块的端面尺寸包括以下步骤：

a、将待测芯块竖直放置，采用线激光垂直照射待测芯块的上端面，所述线激光落在待测芯块的上端面的投影线通过上端面的圆心；

b、图像采集；利用相机沿斜向下方采集所述线激光落在待测芯块的上端面的投影线的图像；

c、图像预处理；将采集到的图像进行预处理，所述预处理包括去噪、有效区域提取以及二值化；

d、图像分段拟合；将预处理后的图像进行分段拟合，所述分段拟合包括直线拟合和圆弧拟合；

e、像素尺寸定标；测定水平方向的实际尺寸Dx与对应的像素点个数Nx之间的比例dx；测定竖直方向的实际尺寸Dy与对应的像素点个数Ny之间的比例dy；

f、获得测量数值；将待测芯块端面的倒角高度方向的像素点个数以及碟型凹陷部深度方向的像素点个数分别与dy相乘，分别得到倒角高度以及碟型凹陷部的深度；将待测芯块端面的倒角宽度的像素点个数以及碟型凹陷部直径方向的像素点个数分别与dx相乘，得到倒角宽度以及碟型凹陷部的直径。