燃料棒氧化膜厚度测量系统及方法技术方案

本申请提供一种燃料棒氧化膜厚度测量系统及方法，所述系统包括：激励信号源，用于提供激励信号；探头模块，所述探头模块采用电桥结构，所述电桥结构的输入端连接所述激励信号源，所述电桥结构的输出端输出差分信号；处理模块，所述处理模块连接所述探头模块的输出端，用于对所述差分信号进行处理后获取反映氧化膜厚度信息的基频解调信号；上位机，对所述基频解调信号进行处理后获取燃料棒的氧化膜厚度。所述方法基于所述系统，通过对多频激励下的测量结果进行处理，减小不同样品间燃料棒包壳管电导率差异以及金属涂层厚度差异的影响，实现燃料棒氧化膜厚度的精密测量。实现燃料棒氧化膜厚度的精密测量。实现燃料棒氧化膜厚度的精密测量。

【技术实现步骤摘要】
燃料棒氧化膜厚度测量系统及方法


[0001]本申请属于核能发电
，特别是涉及一种燃料棒氧化膜厚度测量系统及方法。

技术介绍

[0002]为了利用核能发电，核燃料经过加工后制成小圆柱型的芯块，然后数百个芯块被堆叠在一根锆(Zr)合金包壳管中，并加以密封，制作成燃料棒。多根燃料棒组合成为燃料组件，供反应堆使用。燃料棒包壳管是核电站的第一道压力边界，其可靠性对于维护核电安全至关重要。燃料棒在反应堆内运行一段时间后，包壳管会在堆内高温、辐射环境下发生腐蚀降质，在其表面累积一层氧化膜，同时导致管壁变薄。为了防止因为腐蚀导致的严重问题，提高核燃料棒的安全性和使用寿命，目前的方法主要为对燃料棒镀金属涂层的方式。该方法通过喷涂铬(Cr)颗粒，对Zr合金材料制成的燃料棒包壳管进行涂覆，以缓解因为环境因素影响导致的燃料棒腐蚀。然而在运行过程中已经产生的氧化膜会严重影响包壳管的导热性能，导致包壳管表面与冷却剂之间的热阻会增大，燃料组件的热交换能力会降低，而且随着其厚度的增加，燃料棒的温度会不断上升，加快燃料棒的腐蚀老化速度。故氧化膜厚度和包壳管壁厚是事关核电站运行安全的重要参数，有必要对其进行定期检测，确保燃料棒的安全运行。燃料棒上氧化膜的厚度通常只有几十微米，在测量氧化膜厚度时，测量精度至关重要，因为即使是微米级的厚度差异，对评估燃料组件的安全性也很重要。核燃料零破损是燃料设计、生产供应、核电运营等单位共同的目标。因此，对燃料包壳管进行全面准确检测，以保障其安全可靠，是燃料组件研发、生产、测试过程中必不可少的重要步骤。
[0003]现有的包壳管外氧化膜厚度的检测方法主要为：光学检测、超声检测、电磁检测等。光学相干断层扫描可以用于检测燃料棒表面的形成的氧化膜的厚度，以及由于外界腐蚀导致的铁磁性材料沉积的厚度。但是，光学检测难以检出氧化膜与沉积材料下的缺陷。高频超声探头也可用于氧化膜测厚，超声检测的局限性在于需要耦合剂，难以实现快速成像检测。电磁检测具有非接触、灵敏度高、检测速度快等优点，其中涡流检测广泛运用于非铁磁性金属材料的样品检测。涡流检测的主要原理为线圈与检测材料之间的互感效应。测量线圈在通入激励信号后，会在线圈附近产生感应磁场。交变的感应磁场会使得金属材料内部形成感应电流。感应电流通过互感的方式，通过在线圈内产生感应电流影响线圈端口的电流信号大小，通过线圈输出信号的变化，可以测量金属材料的厚度，缺陷，电导率等参数。对于燃料棒氧化膜厚度的测量问题，可以通过涡流检测的方式，在探头线圈在通入激励信号的情况下，根据线圈输出的同频率电压信号的变化与被测氧化层厚度的关系，对其在不同提离高度或者不同激励频率下的阻抗特性进行研究，从而精确地检测燃料棒样品的氧化膜厚度。目前国外多个公司或机构开发出了基于涡流提离效应的燃料棒氧化膜检测设备。西班牙核燃料公司ENUSA的SICOM
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COR系列设备通过涡流提离效应检测，测量误差为6μm。美国爱达荷国家实验室研究了核燃料包壳管氧化膜厚度测量探头的性能，证明温度变化与涡流传感器的检测结果有很强的相关性，随着温度的升高，涡流传感器的响应为测量的氧化
膜厚度结果减小。国内对于燃料棒氧化膜检测技术也处于发展阶段，中国原子能科学研究院研究了压水堆乏燃料元件的表面氧化膜测量技术，其运用涡流检测技术，首次在热室中对秦山核电站乏燃料棒包壳氧化膜厚度进行全尺寸测量研究。中广核研究院对核燃料组件氧化膜检测装置的结构进行了研究，通过借鉴胡克铰构型机理研制出一种氧化膜检测装置的结构，并通过搭载涡流探头对燃料棒氧化膜进行测量。
[0004]目前为止，涡流检测厚度的方式应用到燃料棒氧化层厚度的研究报道较少，对于金属涂层以及金属材料厚度的研究更加广泛深入。韩国成均馆大学研究了用脉冲涡流测量涂层厚度的技术，检测分辨率约为20μm。韩国标准科学研究院研究了燃料棒表面铬涂层的厚度测量方法，他们通过扫频涡流检测的方法，选取一个对表面涂层厚度变化敏感的频率范围，通过对测量线圈阻抗的分析，获得了不均匀涂层的厚度测量结果。中国科学技术大学近期研究了基于参考线圈与感应线圈的信号的相位差对非铁磁性金属薄膜进行厚度测量的系统，研制的探头可以测量3
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650μm的铜膜厚度以及5
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900μm的铝膜厚度。这些对涂层或者金属材料厚度测量的方式，在燃料棒氧化膜包壳检测方法的研究上也具有重要的参考意义。
[0005]燃料棒氧化膜的厚度测量不仅需要微米级的测量精确度，同时也需要解决其他干扰因素的影响，如包壳管的电导率差异以及金属涂层厚度的差异。燃料棒包壳管本身是由Zr合金材料制作而成，在高温情况下，会和水反应形成氧化膜，同时产生的氢离子与Zr反应会影响到包壳管自身的电导率，导致在不同样品之间，燃料棒包壳管的老化状态不同，其电导率也有所差异。同时，用于防止腐蚀的金属涂层在不同样品以及样品的不同位置之间也会有所不同。上述两种因素在进行厚度测量的过程中，被证实会影响到氧化膜厚度测量结果的精确性。

技术实现思路

[0006]本申请的目的在于提供一种燃料棒氧化膜厚度测量系统及方法，用于解决燃料棒的氧化膜厚度测量不准确的问题。
[0007]第一方面，本申请提供一种燃料棒氧化膜厚度测量系统，其特征在于，所述系统包括：激励信号源，用于提供激励信号；探头模块，所述探头模块采用电桥结构，所述电桥结构的输入端连接所述激励信号源，所述电桥结构的输出端输出差分信号；处理模块，所述处理模块连接所述探头模块的输出端，用于对所述差分信号进行处理后获取反映氧化膜厚度信息的基频解调信号；上位机，对所述基频解调信号进行处理后获取燃料棒的氧化膜厚度。本申请中对探头模块进行设计，将探头模块设计为电桥结构能够有效地抑制环境磁场带来的干扰以及探头自身结构带来的测量噪声和漂移，提高测量的准确性，进而提高氧化膜厚度计算的准确性。
[0008]在第一方面的一种实现方式中，所述探头模块包括参考探头和测量探头，所述参考探头和所述测量探头均包括磁芯、第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈分别缠绕在所述磁芯的两个端部，所述参考探头和所述测量探头的四个线圈连接成电桥结构。本实现方式中，测量探头和参考探头分别设置2个线圈并组成电桥结构，构成差分测量方式，可有效抑制共模噪声，排除干扰因素的变化带来的测量结果的误差，实现对氧化膜实现精确测量，
[0009]在第一方面的一种实现方式中，进行燃料棒的氧化膜厚度测量时，所述参考探头贴合在燃料棒样品上进行涡流检测。
[0010]在第一方面的一种实现方式中，所述处理模块包括：差分放大器，所述差分放大器连接所述探头模块的输出端并对所述探头模块输出的差分信号进行放大；锁相放大器，所述锁相放大器连接所述差分放大器的输出端以及所述激励信号源，所述锁相放大器将所述差分放大器输出的差分放大信号与所述激励信号进行锁相并输出反映厚度信息的基频解调信号。
[0011]第二方面，本申请提供一种燃料棒氧化膜厚度测量方法，所述方法基于本申请第一方面所述的系统，所述方法包括：构建基于所述基频解调信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃料棒氧化膜厚度测量系统，其特征在于，所述系统包括：激励信号源，用于提供激励信号；探头模块，所述探头模块采用电桥结构，所述电桥结构的输入端连接所述激励信号源，所述电桥结构的输出端输出差分信号；处理模块，所述处理模块连接所述探头模块的输出端，用于对所述差分信号进行处理后获取反映氧化膜厚度信息的基频解调信号；上位机，对所述基频解调信号进行处理后获取燃料棒的氧化膜厚度。2.根据权利要求1所述的燃料棒氧化膜厚度测量系统，其特征在于，所述探头模块包括参考探头和测量探头，所述参考探头和所述测量探头均包括磁芯、第一线圈和第二线圈，所述第一线圈和所述第二线圈分别缠绕在所述磁芯的两个端部，所述参考探头和所述测量探头的四个线圈连接成电桥结构。3.根据权利要求2所述的燃料棒氧化膜厚度测量系统，其特征在于，进行燃料棒的氧化膜厚度测量时，所述参考探头贴合在燃料棒样品上进行涡流检测。4.根据权利要求1所述的燃料棒氧化膜厚度测量系统，其特征在于，所述处理模块包括：差分放大器，所述差分放大器连接所述探头模块的输出端并对所述探头模块输出的差分信号进行放大；锁相放大器，所述锁相放大器连接所述差分放大器的输出端以及所述激励信号源，所述锁相放大器将所述差分放大器输出的差分放大信号与所述激励信号进行锁相并输出反映厚度信息的基频解调信号。5.一种燃料棒氧化膜厚度测量方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1至4任意一项所述的系统，所述方法包括：构建基于所述基频解调信号反演氧化膜厚度的反演函数以及所述反演函数的优化求解模型；所述激励信号源向所述探头模块提供不同频率的激励信号，测量多个燃料棒样品在每个激励频率下的基频解调信号组成样本数据集；利用所述样本数据集对所述优化求解模型进行求解得到反演函数；所述激励信号源向所述探头模块提供某一频率下的激励信号，测量待测燃料棒在该激励频率下的基频解调信号；将待测燃料棒测量得到的基频解调信号输入至求解得到的反演函数，计算得到待测燃料棒的氧化膜厚度。6.根据权利要求5所述的燃料棒氧化膜厚度测量方法，其特征在于，所述反演函数采用二次项关系式构建。7.根据权利要求6所述的燃料棒氧化膜厚度测量方法，其特征在于，所述反演函数表示为：h＝f(X)＝k0+X(1)k1+X(2)k2+X(1)2k3+X(2)2k4+X(1)X(2)k5其中，h为氧化膜厚度，X为基频解调信号，f为反演函数，X(1)为基频解调信号的实部，X(2)为基频解调信号的虚部，k0、k1、k2、k3、k4、k5为二次项关系式的系数。8.根据权利要求7所述的燃料棒氧化膜厚度测量方法，其特征在于，所述优化求解模型
表示为：其中，h为氧化膜厚度，X为基频解调信号，f为反演函数，d为燃料棒金属涂层的厚度，σ为燃料棒包壳管的电导率。9.根据权利要求8所述的燃料棒氧化膜厚度测量方法，其特征在于，利用所述样本数据集对所述优化求解模型进行求解得到反演函数包括：设燃料棒...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶朝锋，陶钰，李诚，张娜，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：