适用于核电站辐照后燃料组件的视觉检测装置

技术领域

本发明具体涉及一种适用于核电站辐照后燃料组件的视觉检测装置，用于检测燃料棒的直径与间隙。

背景技术

燃料组件是核电厂能量产生的源泉，燃料棒包壳管作为核电厂的一道重要保护屏障，其完整性至关重要。根据国家核安全局相关规定和有关核安全文件的要求，为了保证反应堆的安全运行，在一段时间间隔内，必须对燃料组件进行定期检测，燃料棒直径与间隙属于检测项之一。但由于辐照后燃料组件具有很强的放射性，同时还有余热不断释放，检测设备的耐辐照性能和耐高温性能有限，无法进行近距离测量工作，检测精度普遍较低。

设备的耐辐照性能和耐高温性能决定了实际测量工作距离和工作时长，乏燃料水池水下环境光线复杂，远距离测量会影响测量精度，而近距离测量会牺牲设备的工作时长，已有设备的设计暂时无法同时兼顾高测量精度和设备长使用寿命。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于核电站辐照后燃料组件的视觉检测装置。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种适用于核电站辐照后燃料组件的视觉检测装置，包括壳体、设置在壳体上的光源、设置在所述壳体内的屏蔽板组、内胆以及设置在所述内胆内的反射镜、镜头以及图像传感器，所述内胆设置在屏蔽板组形成的空间内，所述壳体的前端开设有窗口，所述光源用于向所述燃料组件射出光线，所述燃料组件反射的光线依次经所述窗口、反射镜、镜头之后被所述图像传感器接收；所述屏蔽板组的部分设置在图像传感器与燃料组件之间以进行辐射屏蔽。

根据本发明的一些优选实施方面，所述反射镜包括与所述窗口位于同一水平高度上的第一反射镜以及与所述镜头位于同一水平高度上的第二反射镜。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一反射镜和第二反射镜位于同一竖直平面内。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一反射镜和/或第二反射镜为45°反射镜。

根据本发明的一些优选实施方面，所述屏蔽板组包括分别对应所述内胆四周设置的前屏蔽板、上屏蔽板、侧屏蔽板和下屏蔽板；所述前屏蔽板的整体厚度大于其余屏蔽板的厚度。

根据本发明的一些优选实施方面，所述屏蔽板的材质为钨合金。

根据本发明的一些优选实施方面，按重量份数计，所述钨合金包括钨86-95份，镍4-8份，碳2-6份。

根据本发明的一些优选实施方面，所述窗口设置在所述前屏蔽板的下方；所述镜头、图像传感器位于所述前屏蔽板的后方。

根据本发明的一些优选实施方面，所述内胆内设置有剂量率传感器；所述内胆内设置有横屏蔽板和竖屏蔽板，所述剂量率传感器设置在所述横屏蔽板、竖屏蔽板和下屏蔽板形成的空间内；所述镜头、图像传感器位于所述横屏蔽板、侧屏蔽板和上屏蔽板形成的空间内。

根据本发明的一些优选实施方面，所述剂量率传感器位于所述图像传感器的下方；所述横屏蔽板由所述第一反射镜和第二反射镜的竖直平面向后延伸，所述横屏蔽板的长度小于镜头的长度。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的适用于核电站辐照后燃料组件的视觉检测装置，采用折转光路的方式来增加工作距离从而进一步实现核心测量部件对辐射的规避，能够实现在水下对辐照后燃料棒的直径和间隙进行测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明优选实施例的视觉检测装置(光源未示出)的立体结构示意图；

图2为本发明优选实施例的视觉检测装置(光源未示出)的剖视结构示意图；

图3为本发明优选实施例的视觉检测装置的爆炸结构示意图；

图4为本发明优选实施例的视觉检测装置的工作原理示意图；

附图中，1-光源架；2-光源；3-光源调整架；4-提手；5-壳体；5A-壳主体；5B-上盖板；5C-下盖板；5D-后盖板；6A-上密封垫片；6B-下密封垫片；6C-后密封垫片；7-图像传感器；8-镜头；9-内胆；10A-前屏蔽板；10B-上屏蔽板；10C-侧屏蔽板；10D-侧屏蔽板；10E-下屏蔽板；10F-横屏蔽板；10G-竖屏蔽板；11-视窗；12A、12B-45°反射镜；13-温度湿度压强三合一传感器；14-剂量率传感器；15-燃料棒；16-视觉检测装置。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

现有技术的问题主要存在于：辐照后燃料组件具有很强的放射性并伴有余热不断释放，因此对检测设备的耐辐照性能和耐高温性能提出了较高的要求。设备的耐辐照性能和耐高温性能决定了实际测量工作距离和工作时长，乏燃料水池水下环境光线复杂，远距离测量会影响测量精度，而近距离测量会牺牲设备的工作时长，已有设备的设计暂时无法同时兼顾高测量精度和设备长使用寿命。本发明实现了在压水堆核电站反应堆燃料水池中、在高辐照剂量和深水条件下、完成对辐照后燃料棒的直径和间隙测量，为反应堆的安全运行提供保障的高精度的视觉测量。

如图1-4所示，本实施例中的适用于核电站辐照后燃料组件的视觉检测装置16，包括壳体5、设置在壳体5上的光源组件(包括光源2、光源架1、光源调整架3)和电气接口、设置在壳体5内的密封垫片、屏蔽板组、内胆9、设置在内胆9内的反射镜、镜头8、图像传感器7、剂量率传感器14以及(温度湿度压强)三合一传感器13以及用于收集数据并进行分析测量的采集分析系统。温度湿度压强三合一传感器13和剂量率传感器14，用于实时监测检测装置内部工作环境状态。密封垫片(上密封垫片6A、下密封垫片6B和后密封垫片6C)用于进行密封，保证视觉检测装置16在水下测量时的密封性能。本实施例的壳体5上还设置有提手4以方便拿取。

采集分析系统具备配套采集分析软件，能够用于进行正式测量前的标定、测量计划定制以及图像采集测量等功能。正式测量前的标定需要用到标定板来验证测量精度，保证正式测量数据的可靠性；且需根据所需测量的具体燃料棒束和高度设置测量计划；正式测量过程中对于所采集的图像可选择自动测量和手动测量模式，自动测量模式是通过算法自动选取图像中燃料棒15边界进行测量，手动测量模式可手动选择图像中燃料棒15边界进行测量。

本实施例中的内胆9为铝合金材质，壳体5为不锈钢材质，屏蔽板组为钨合金材质。屏蔽板组用于对保护内部的电气部件遭受辐射的影响，内胆9设置在屏蔽板组形成的空间内，壳体5的前端开设有窗口，窗口内设置有视窗11，光源2用于向燃料组件射出光线，在测量时提供足够的光照强度；燃料组件反射的光线依次经窗口、反射镜、镜头8之后被图像传感器7接收，如图4所示。视窗11、45°反射镜、镜头8和CMOS图像传感器7组成光学测量系统。

其中，视窗11的材质优选为含铈玻璃，具有优秀的耐辐照性能；45°反射镜的镜面由金属铜通过打磨抛光制成，将由视窗11进入的光线经由两次反射传输至镜头8，视窗11和45°反射镜在累计剂量率达到2×10

本实施例中的壳体5包括壳主体5A、上盖板5B、下盖板5C和后盖板5D。屏蔽板组包括分别对应内胆9四周设置的前屏蔽板10A、上屏蔽板10B、侧屏蔽板10C和10D和下屏蔽板10E。前屏蔽板10A的整体厚度最厚，侧屏蔽板10C和10D次之。

反射镜包括与窗口位于同一水平高度上的第一反射镜12A以及和与镜头8位于同一水平高度上的第二反射镜12B。第一反射镜12A和第二反射镜12B位于同一竖直平面内。第一反射镜12A和第二反射镜12B均为45°反射镜。即本实施例中，镜头8、图像传感器7与视窗11位于不同的水平高度上，以形成折转光路，增加工作距离从而进一步实现核心测量部件对辐射的规避。

视窗11设置在前屏蔽板10A的下方；镜头8、图像传感器7位于前屏蔽板10A的后方。内胆9内设置有剂量率传感器14；内胆9内设置有横屏蔽板10F和竖屏蔽板10G，剂量率传感器14设置在横屏蔽板10F、竖屏蔽板10G和下屏蔽板10E形成的空间内；镜头8、图像传感器7位于横屏蔽板10F、侧屏蔽板10C、10D和上屏蔽板10B形成的空间内。剂量率传感器14位于图像传感器7的下方；横屏蔽板10F由第一反射镜12A和第二反射镜12B的竖直平面向后延伸，横屏蔽板10F的长度小于镜头8的长度，即横屏蔽板的长度较小，使得剂量率传感器14、温度湿度压强三合一传感器13对应的空间和图像传感器7对应的空间连通，以对图像传感器7的环境进行监测。由图2和4可以看出，内胆中，除了采用视窗、反射镜留出光路的通道外，内部的镜头8、图像传感器7、剂量率传感器14和温度湿度压强三合一传感器13完全位于屏蔽板组形成的空间内。

屏蔽板的材质为钨合金。本实施例中，按重量份数计，钨合金包括钨90份，镍6份，碳4份。

高能带电粒子会对相机CMOS、电路板、镜头8玻璃等产生影响，对于CMOS探测器当辐射累积剂量大于阈值剂量时，探测器将会失去感光能力，图像变为白色；对电路板将会使得电容电阻损坏，使得电路板发生短路或者损坏；对于远心镜头8则会使得镜头8逐渐黑化，影响光线透过率；所以应用在核电站辐照后燃料组件的视觉检测中的相关电子设备需要进行屏蔽设计。燃料棒15在工作时主要辐射的波段有α射线、β射线、X射线、γ射线以及中子，其中α射线与β射线在重水环境下可以进行完全的屏蔽，而γ射线与中子辐射具有很强的穿透性，必须设计防辐射屏蔽结构。虽然混凝土对γ射线与中子辐射具有较好的屏蔽作用，但是混凝土密度过大，用其作为屏蔽辐射的材料不利于模块化以及设备整体重量的设计。

本实施例中的视觉检测装置16根据实际辐照场的强弱分布，通过准确计算所设计的不锈钢壳体5、钨合金屏蔽板组，能保证设备内部剂量率低至1Gy/h的同时控制设备整体重量为100kg以下。以下简述本实施例中钨合金屏蔽板的设计思路和方法：

γ射线的衰减是随着屏蔽层的厚度逐渐减弱的，经过屏蔽层衰减后的辐射量I可以表示为：

I＝I

式中，I

Δ

那么

R＝nΔ1/2

其中n＝logk/log2，为半衰减厚度的数目。u为材料的线衰减系数。燃料棒15辐射能谱取最大值为1MeV强度的γ射线，取水的线衰减系数为0.0705，则可以计算出水的半衰减厚度为9.9cm。那么在0.25m距离处测量时水对γ的衰减倍数约为4，而燃料组件表面辐射强度为20000Gy/h，则在探测器入瞳处的辐射剂量率为5000Gy/h。一般CMOS探测器具有一定的抗辐射能力，其可承受的累积剂量水平为30000rad(Si)(300Gy)，将该剂量作为探测器总的接收辐射剂量，那么欲使探测器工作200h，探测器的吸收剂量率为1.5Gy/h，而且要求壳体5内的剂量率为1Gy/h，那么根据上面公式可以计算出钨合金的半衰厚度为0.642cm，计算出所需钨合金厚度为8.2cm。综合钨合金的特性，钨合金对γ射线衰减效果更好，屏蔽同等辐射剂量所需的材料厚度更薄，因此本实施例中选择钨合金作为防护壳体5材料。

且在本实施例中，为了保证屏蔽效果的同时降低设备的重量，面向燃料棒15方向厚度最大，侧面厚度次之。为最大限度的增强防护层的屏蔽效果，本实施例中，前屏蔽板10A的钨合金层厚度为8cm，上屏蔽板10B的钨合金层厚度为1.7cm，下屏蔽板10E的钨合金层厚度为1.5cm，横屏蔽板10F的钨合金层厚度为1.1cm，竖屏蔽板10G的钨合金层厚度为1.5cm，侧屏蔽板10C、10D的钨合金层厚度为2.6cm。整体的铝合内胆9重量25kg左右，钨合金屏蔽板的质量大约65kg左右，加上不锈钢的壳体5以及各传感器等，总质量小于100kg。

本实施例中的核燃料棒15的高精度视觉测量方法的水下测量装置，具体包括光源2、壳体5、屏蔽板组、内胆9、视窗11、45°反射镜、镜头8、CMOS图像传感器7、温度湿度压强三合一传感器13、剂量率传感器14。其中光源2外置于壳体5上表面，测量时面对燃料组件以提供足够的光照强度；测量时通过相关机械控制装置调整水下测量装置使视窗11位于燃料组件所需测量高度并正对燃料组件；进行测量时CMOS图像传感器7所采集到的数据通过集成防水电缆由铝合金后盖板孔洞连接到采集分析计算机上，可以实时监测检测装置工作环境状态并进行图像采集。

与现有技术相比，本实施例中的适用于核电站辐照后燃料组件的视觉检测装置16，1)能够在核电站乏燃料水池环境中对辐照后燃料棒15的直径和间隙进行测量，测量方法基于远心视觉的光学原理，能够大大降低了多介质复杂环境光线折射引起成像偏移的影响，提高测量精度至10μm；2)根据实际辐照场的强弱分布通过准确计算对屏蔽板组及其厚度进行设计，在尽量降低设备内部剂量率的同时控制设备的重量，本发明能保证设备内部剂量率低至1Gy/h的同时控制设备整体重量为100kg；3)选用折转光路的方式来增加工作距离从而进一步实现核心测量部件对辐射的规避，同时针对核心部件进行选型和定制，其中视窗11和45°铜反射镜能够在累计剂量率达到2×10

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。