核反应堆容器和燃料储存池结构检测用耐辐射3D激光扫描仪

摘要

准确和及时评估核反应堆船舶组件中的位移和/或结构损害是规划维护和维修的常规检查中的关键行动，也是在核事件的缓解后果的紧急情况下进行常规检查。Nevertheless, all these components are maintained underwater and reside in high-radiation fields thus imposing harsh operative conditions to inspection devices which must cope with effects such as Cerenkov radiation background, Total Ionizing Radiation (TID), and occlusions in the detectors’ field of view. To date, ultrasonic techniques and video cameras are in use for inspection of components’ integrity and with measurements of volumetric and surface crack opening displacements, respectively. The present work reports the realization of a radiation tolerant laser scanner and the results of tests in a nuclear research reactor vessel for acquisition of 3D models of critical components. The device, qualified for underwater operation and for withstanding up to 1 MGy of TID, is based on a 515 nm laser diode and a fast-scanning electro-optic unit. To evaluate performances in a significant but controlled environment, the device has been deployed in the vessel of a research reactor operated by ENEA in the Casaccia Research Centre in Rome (Italy). A 3D model of the fuel rods assembly through a cooling water column of 7 m has been acquired. The system includes proprietary postprocessing software that automatically recognizes components of interest and provides dimensional analysis. Possible application fields of the system stretch to dimensional analysis also in spent nuclear fuel storage pools.

1.介绍

核反应堆船只（RVS）的安全是核电站运营商的主要问题之一。RV是一种钢圆筒，其包含具有燃料杆组件的反应器芯，控制反应的系统，以及用于流体循环的管和喷嘴。所有这些组件都保持在水下并驻留在高辐射场中。虽然已经选择了用于这些组件的材料以抵抗腐蚀和结构故障，但它们需要定期检查来检查状态并计划维护或修理干预措施。当系统报告关键性时，需要非结果检查，当外部事件（即地震）可能应该诱导结构损坏，或者在反应器控制的极端情况下。然而，RV检查是核设施中最具挑战性的任务之一。事实上，在高度辐射污染的环境中，在水下进行，在水下进行，并且在维护条件下进行。在职检查是运营商的首选解决方案，以避免反应堆关闭的金融损失，而当反应器失控时是一个受约束的选择。核工业中超声波测试已广泛用于组件的体积检查[1，2］．然而，案例研究表明，在核反应堆部件中检测到的许多缺陷是由单元表面的裂纹引发并在结构内部连续扩展而产生的[3.］．这就使得摄像机能够在小裂缝扩大到可能损害组件正确功能的尺寸之前，对其进行检测。可用于核工业的抗辐射潜水式摄像机，其TID值可达2mgy [4，剂量率为1 kGy/h^60.CO辐照条件。它们通常具有透镜周围的发光二极管（LED）环，以提供照明并远程操作。研究和测试表明，它们在检测裂缝中的性能受到难以再现的照明条件的强烈影响，也用于Cerenkov辐射背景贡献，从而难以比较在不同时间采取的采集来评估裂缝开口位移（COD）的采集方式演变。此外 [3.]，当操作距离大于3 m时，其量纲分析精度迅速下降。在这一框架内，并基于地面应用3D激光扫描仪在操作范围和精度方面优于视频摄像机的综合证据，ENEA开发了一种用于核应用的调幅(AM) 3D激光扫描成像系统。是具有水下操作资格的设备，并经制造商对关键设备部件进行的测试证明，可承受高达1mgy的TID。ENEA设备标志着用于核应用的激光成像系统的发展向前迈进了一步，目前可用的系统还没有额定的抗辐射性能，并且基于三角测量技术，本质上仅限于短程成像[5］．

该器件旨在通过使延长的操作范围，无光条件依赖性，COD检测中的高精度以及3D获取模型与CAD图纸的光照条件，改善了核反应堆血管中的检查能力。设备的可能应用领域延伸到在废核燃料储存池中的检查，并最终还安装在自动水下车辆上。该器件在开发地面和海底环境中的3D激光扫描仪成像系统以及融合腔室真空条件下的应用中，将eNEA的经过验证的曲目记录汇集在一起​​。6］．振幅调制技术用于水下三维激光成像的优点已经在理论上和实验上得到了证明[7- - - - - -9］．

为了降低背景Cerenkov辐射的效果，系统基于515nm激光源。该装置已经在研究核反应堆Triga（培训研究同位素一般原子）RC1（反应堆Casaccia1）的血管内部的手术条件下进行了测试，在Casaccia（罗马）的研究中心。Triga RC1是一个1 MWTH反应器，具有圆柱形结构，通过水调节和冷却。该装置包括浸入容器中的光学头和用于远程操作的控制的电子单元。本工作描述了Triga RC1的系统实现和实验活动的结果。

2。材料和方法

２．１．水下调幅三维激光成像

在调幅激光三维成像系统中，空间准直激光束的强度按一定频率进行正弦调制F。范围D.目标点的激光照射是通过测量目标表面反射辐射的相移Ω(相位通道)来确定的，相对于参考信号。范围D.从可测量的量Ω与公式中检索 在哪里C真空的速度是光速吗N是折射率的中等指标。范围是成反比的ω.，从而使范围误差为ΔD.反比于的平方F。因此，更高的调制频率改善了系统性能。尽管如此，与AM激光3D成像系统相关的问题是校园的范围叠片，这意味着源自调制的周期性的范围模糊性，并且不允许区分两个范围测量，而倍数为2的倍数πΩ。混叠通常采用双调频技术解决，其中系统采用低频(LF)和高频(HF)调制[10］．低频允许歧义范围，而高频提供一旦解决消歧就会提供精确的测量。

通过激光扫描目标的整个表面，收集距离信息云，可以记录目标表面的三维图像D.并利用合适的软件进行三维模型重建。3D渲染本质上是三维的，这意味着可以直接在3D模型上测量目标表面特征的尺寸和距离。该设备还允许记录目标表面的2D图像，并在激光波长(强度通道)处以与表面反射率成比例的灰度尺度记录。该方法的另一个关键特性是它不需要外部照明，因为激光束是探针，其反射部分是被检测的信号。对于摄像机来说，其主要优势在于能够准确地比较在不同时间获得的3D模型，并对差异进行定量评估。在水下操作时，如RV检查的情况下，必须仔细考虑由水后向散射的部分激光束产生的光学噪声对距离评估的有害影响。由于溶解物质的存在，水的浑浊度增加，这种影响越来越明显。如果K.水的衰减系数是多少N是水的折射率，可以证明[8后向散射激光强度一世_B.行为类似于巴特沃斯(等式)2具有调制截止频率的低通滤波器F_C=kc／2Πn.：

这意味着，用于调制频率F>F_C，随着系统的操作范围和3D模型精度的可操作范围，从水反向散射的贡献最小化。理论计算，如图所示1，表明，对于一个典型值K.=0。5 m^-1，如在反应堆血管中，=17。9 MHz, a modulation frequency well within the range of commercial laser sources where amplitude modulation frequencies up to 200 MHz may be attained.

这些理论考虑因素基于AM 3D激光成像系统的开发，用于RV的应用，其中必须从物理限制导致的距离米距离检查，这防止了反应器芯附近的成像系统的安装。从操作的角度来看，RV的水几乎保持高纯度，因此具有低值K.因为在水冷研究反应堆中，这是防止铝包层燃料元件和其他结构部件退化的最重要因素[11］．最相关的是与折射的水指数有关的不确定性N，即，操作温度的函数T.。这n（t）依赖已经被几个作者研究过[12，13，结果表明，对于纯水，在0°C - 100°C范围内下降约1.5%，在25°C下典型值为1.33。因此，为了精确测量RVs，建议估计水温并计算其值n（t）用于等式（1相应的)。

2.2。核应用的AM 3D激光成像装置

在eNEA开发的辐射耐受AM 3D激光成像系统并在Triga RC1核研究反应器中测试包括两个分离的模块，主动和无源探针（探针），如图所示2。

无源模块是系统的一部分，可以在水下和辐射环境中工作。它基本上由不锈钢和铝垫圈组成的水密外壳和配备一个光学窗口。内部分配透镜，反光镜和光纤用于激光束转向和偏转，以完成扫描检查区域。所有光学元件都经过硬辐射介质涂层(SiO)处理₂助教₂O.₅）测试高达5岁。扫描镜的倾斜（TR-14 Pytron）和平底锅（Tr-20 Pytron）的电机是用抗辐射润滑剂（Ultherhersm 2000）硬化的辐射，并测试高达1毫偿。电动微动开关，用作运行结束和参考，由聚醚醚酮（PEEK），金铜和红宝石制成。防水不锈钢管将活性器件连接到无源模块，导致光纤和电缆内部。所有铜线都与kapton绝缘，长度为10米，系统中的光纤是辐射硬化，并且辐射诱导衰减，515nm，1 mgy的TID，在1-1.5 dB /m。对于激光束，安装透射单模纤维，同时用于信号接收，多模束（7个纤维，400 μ.M个直径每个）用于增加场景并减小弯曲半径。

主动式模块包括激光器，一个波长为515 nm的紧凑二极管激光器，最大连续波功率为20 MW (Omicron LuxX®laser系列)，可进行高达200 MHz的模拟振幅调制。为了消除混叠效应，对激光器进行低频LF = 10 MHz和高频HF = 200 MHz的同时调幅。

该模块还包含一个用于信号检测的雪崩光电二极管探测器(APD)、前端电子、一个600 MHz锁定放大器和扫描电机控制器。为了消除切伦科夫辐射背景，在APD前放置干扰滤波器。

该设备的性能范围误差为ΔD.用内部开发的计算代码对目标距离的函数进行了模拟，结果如图所示3.用非含有和污染的水（TID = 1米）和N= 1.33,K.=0。05 m^-1，7 MW的激光功率，以及锁定放大器的集成时间，等于10 ms。

距离误差随着目标距离的增加而增加，并且在系统的TID为1 MGy的情况下增加得更快。对于辐照条件下的模拟和小于5 m的目标距离，距离误差仍然小于1 mm。

3。结果与讨论

TRGA RC1是一个研究堆，当前使用的堆芯装有111个U- zrh燃料棒(8.5重量%U和20%浓缩)，用脱盐水慢化和冷却，并配备B₄C控制杆。RV是圆柱形，高度为8米，直径2.5米，可从上面访问（见图4）。规划实验活动方面的主要问题是在无源模块的水密外壳中的铝的Triga RC1中的热中子激活。事实上，中子捕获^27.al形^28.以β发射衰减^28.SI.随后通过1.779 mev的伽马发射来搅拌剧激发，^28.Si。该反应具有大约12个谷仓的大热中子捕获横截面。鉴于此，决定通过电抗器关闭和纯伽马辐射场进行测量。在实验活动开始时，在反应器容器顶部测量的γ剂量率为0.17 gy / h，并且该值沿着冷却水中的3D激光系统的持久性监测。在此基础上，据估计，该装置吸收的TID是14 Gy。

在实验活动期间沉浸在Triga RC1 RV中的被动模块的图片和有源模块的图示5左边和右边。

无源模块安装在Triga RC1 RV的水面下方，并使用安装在电抗器控制室的PC上的专有软件远程操作。

实验活动中获得的二维强度和三维模型图像如图所示6和7， 分别。

在由设备的强度通道产生的2D图像中，它与图中相比有增强的对比度4拥有一台高质量的照相机。这是由于同时消除了切伦科夫背景辐射和来自后向散射调制激光的漫射照明灯的光的影响。该二维图像具有1600万像素的分辨率，这是通过在衍射极限下使用准直激光束和以最精细的分辨率步骤(采集时间65秒)工作的镜子的扫描马达获得的。由于金属表面反射率的非朗伯特性，二维图像沿一些弯曲和长长度单元的灰度呈现出一些不均匀性。事实上，更高的反射率是测量相对于平面表面的接近正入射，表明反射率镜面成分支配兰伯特。

核扫描仪还配备了后处理数据分析工具，可以用216位灰度级的强度信息细化扫描场景的完整三维模型。数据分析软件的另一个特点是能够自动识别感兴趣的部件并测量它们的尺寸，这有助于检测构成结构的部件可能出现的裂缝或恶化。数字8显示用于自动形状检测的强度图像[14］;用绿色的圆圈表示选定的特征，用于测量燃料棒的直径，分配在反应堆核心组件中。圆直径的平均估计是43毫米，误差(由测量的标准偏差表示)为±1.5毫米关于初始设计的尺寸。用于维度分析的算法利用存储在相位测量通道中的距离信息(参见公式(1）））。在计算代码中，已经假设了传统值为1.33N。

如图所示，并非所有检测到的形状都完全适合感兴趣的元素:这主要是由结构的复杂性造成的，表现为几个管道穿过扫描器的视角存在遮挡，以及由金属表面组成的一些元素垂直于扫描光学系统的反射。

批判性地，专有的计算代码具有比较在不同时间甚至在不同的设备操作定位的定量3D模型的潜力，以便在毫微水平处详细阐述差异以识别裂缝的叛乱或者随时间评估它们的进化。

4.结论

建立在为水下应用开发AM 3D激光成像系统的经验时，ENEA实现了一个有资格用于在辐射污染的水中操作的装置，直到一个TID = 1 MGO。在核反应堆容器中操作的装置的能力已经在研究设施中和纯伽马辐射场中进行了证明，用于避免裂变中子激活与铝成分的激活有关的问题。该实验活动在恩莱的Triga RC1核反应堆中的结果证明了该系统的能力在目标距离7米处实现尺寸分析并具有毫米分辨率。该结果符合专有计算代码模拟的系统性能，从而展示我们达到了当前技术部件的实验限制。值得一提的是，尽管eNEA装置有资格获得TID阈值，但是最先进的辐射硬化摄像机的TID阈值近一半;所提出的结果表明，在从目标的情况下，它在较大的距离较大的距离处令人满意地操作，这是在检查燃料杆组件时的延长操作寿命，并且由于辐射剂量随着距离反应器芯的距离急剧下降而导致的事实。目前的结果为进一步的科技调查铺平了进一步改善核电站反应堆血管尺寸结构分析的装置，以及燃料储存池的尺寸结构分析。

数据可用性

用于支持本研究结果的数据包括在文章中。

利益冲突

作者声明本论文的发表不存在任何利益冲突。

致谢

感谢E. Santoro, A. Dodaro, N. Cherubini, G. Fornetti, M. D 'Apice, R. Fantoni, A. Palucci, G. Mazzitelli, M. Pillon和C. Neri在不同工作阶段的贡献。最终用户驱动的cbrNE演示项目EDEN(最终用户驱动的cbrNE演示)获得了欧盟FP7项目的资助。313077.

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