专利名称：基本为球形的多层结构的非破坏性和无接触的表征方法及相关装置的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及用于为具有至少两层的球形或基本上为球形的几何形状的多层结构的非破坏性和无接触的表征方法，比如特别是用于高温反应堆的核燃料颗粒。这些颗粒一般包括五层。在下文中，术语颗粒将指代这些多层结构。
背景技术：
更具体地，根据第一方面，本发明涉及一种用于包括由分界面分开的至少两层的基本上为球形几何形状的多层结构的非破坏性和无接触的表征方法。在用于高温核反应堆的核燃料颗粒的例子中，该核燃料颗粒包括裂变芯部，该裂变芯部涂有致密或多孔高温碳层以及比如碳化硅或碳化锆的陶瓷层。确定芯部和各层—— 该芯部和各层构成燃料颗粒——的密度、厚度、泊松系数以及杨氏模量对于该燃料的质量来说是非常重要的。最近，用于确定密度的方法是浮选法。在要表征的一组颗粒中取样几个控制颗粒。 切割各个颗粒，分离各层的块以便执行密度测量。这些块被依次放置在液体中，块的密度根据温度而明显地变化。然后，改变流体的温度并注意在什么温度下所述块存在于“中层水中”。构成块的材料的密度对应于所述温度时的流体的密度。该方法具有使用有毒液体的缺点。此外，该表征方法较慢并引起对被表征颗粒的破坏。最后，由于各层的块必须逐一地分离和识别，因此其应用被证明是极其难控制的。该方法并没有给出关于泊松系数和杨氏模量的任何信息。但是，能够通过具有破坏性(比如微压痕)并需要在逐个分离和识别的各层的块上进行测量的缺点的方法来估算这些系数。在这一背景中，本发明旨在提出一种可应用于颗粒的表征方法，该方法没有破坏性，不妨碍环境，快速应用并允许在单个测量中获得多个特征。
发明内容
出于该目的，本发明涉及一种用于多层结构的非破坏性和无接触的表征方法，所述多层结构具有包括由分界面分开的至少两层的基本为球形的几何形状，该方法包括以下步骤-利用激光，在热弹性条件下局部地加热该结构，将所述结构以非破坏性的方式设为振动；-测量该结构的振动模式的共振频率；-由该结构的共振频率推导出与结构的完整性、或几何形状或机械特征有关的至少一个特征。该方法还可包括以下一个或多个特征，所述特征可单独地考虑或根据所有技术上的可能进行组合
-用光学测量装置执行共振频率的测量，-光学测量装置包括干涉测量装置，-由共振频率推断结构中是否存在裂缝，共振频率存在于至少一个预定频带内表征结构中存在裂缝，所述或各预定频带中不存在的共振频率表征结构中不存在任何裂缝，-由结构的共振频率推断至少一个层的至少一个寻求的几何特征或机械特征，所述特征选自密度、厚度、杨氏模量和泊松系数，-所述寻求的几何特征或机械特征由以下反演法推断a/由用于所述层或各层的几何特征和机械特征的理论值或测量值的相应的组计算理论共振频率，上述理论值或测量值包括所述寻求的几何特征或各个寻求的几何特征或机械特征的第一值，对于所述或各层，上述理论值或测量值的组包括密度、厚度、杨氏模量和泊松系数；b/计算理论共振频率与测量的共振频率之间的差值；c/通过迭代步骤a/、b/、和c/，直到在步骤b/中的计算差值小于预定极限并从理论值或测量值的相应的组选择用于所述的或各寻求特征的新值，-利用结构的解析振动模型在步骤a/计算理论共振频率，-通过从测量的共振频率通过反演所述结构的线性振动模型来计算用于寻求特征的理论初始值，初始化反演法，-在步骤c/中，利用结构的线性振动模型，由在步骤a/中考虑的所述或各寻求的几何特征或机械特征的第一值以及由在步骤b/中计算的理论共振频率与测量的共振频率之间的差值，计算所述或各寻求特征的新值，-该结构是包括芯部和围绕芯部的至少两层的核燃料颗粒，-核燃料颗粒由内部至外部包括裂变材料芯部、一层多孔高温碳、第一层致密高温碳、陶瓷层和第二层致密高温碳，寻求的几何特征或机械特征包括选自多孔高温碳层的杨氏模量、第一致密高温碳层的杨氏模量、陶瓷层的杨氏模量和多孔高温碳层的密度的特征中的至少两个特征，-激光是强度调制激光，比如是发射能量在每个脉冲1μ J和ImJ之间的脉冲激光， 各脉冲具有在0. 5和50毫微秒之间的持续时间，-该方法包括以下步骤-测量由弹性波在各层之间的分界面处的反射引起的回波的周期；-由所述周期推断与结构的几何形状或机械特征相关的至少一个特征，根据所述层的厚度由回波的周期推断弹性波在一个层内的传播速度，
根据传播速度和所述层的密度确定所述层的杨氏模量。根据第二方面，本发明涉及一种适于应用上述方法的用于表征多层结构的设备， 该设备包括-激光，能够在热弹性条件下局部地加热结构，以非破坏性的方式使得结构设为振动；-用于测量结构的振动模式的共振频率的装置；-由结构的共振频率推断与结构的完整性、或与几何形状或机械特征有关的至少一个特征的装置。
从以下参照附图给出的作为指示而绝非限制的详细说明，将更好地理解本发明的其它特征和优点，其中图1是示出用于高温反应堆的核燃料颗粒的示例性结构的赤道附近的剖视示意图；图2是示出应用根据本发明的表征方法的设备的示意图；图3示出在应用本发明的方法期间为测量回波的周期而收集的试验信号；图4示出在应用本发明的方法期间为测量颗粒的振动信号而收集的试验信号；图5是由图4的曲线推知的振动波谱的图示说明，示出被激发的颗粒的共振频率；图6是示出本发明的方法的主要步骤的步骤图；以及，图7是示出通过图2的设备测量的共振频率的图示说明，用于具有张开裂缝的颗粒、具有非张开裂缝的颗粒以及完好的颗粒。
具体实施例方式张开裂缝是在多层结构的外表面上张开的裂缝。非张开裂缝是不在多层结构的外表面张开的裂缝，缺陷在结构的内部。图1示意性地示出用于高温或超高温反应堆(HTR/VHTR)的核燃料的颗粒1。通常地，该颗粒1为大致球形，并从内部到外部连续地包括-裂变材料芯部2，例如基于UO2(可为其它类型的裂变材料，比如UC0，即UO2的和 UC2的混合物和/或其它裂变材料，比如基于钚、钍......的组合物)，-多孔高温碳层3，-第一致密高温碳层4，-碳化硅(或另一种陶瓷，比如碳化锆)层5，以及-第二致密高温碳层6。在利用这种颗粒时，多孔高温碳用作用于裂变气体的储器，碳化硅用作阻止裂变产物扩散的屏障，致密高温碳确保碳化硅层的机械强度。芯部2，比如具有大约500 μ m的直径，直径可从100 μ m到1，000 μ m变化，层3、4、 5和6分别具有比如95、40、35和40 μ m的厚度。可以看出，在图1中不能观察到芯部2以及层3、4、5和6的相对尺寸。这些层，特别是高温碳层3、4、6，比如通过应用于具有流化床的加热炉中的化学气相沉积法沉积。图2中示出的设备允许-检测图1示出的颗粒中的裂缝；-和/或芯部的和/或层3至6之一的一个或多个几何特征或机械特征的估算。随后在下文中，“层”等同地表示芯部或围绕芯部的层中的一个。可被估算的几何特征或机械特征是密度、厚度、泊松系数、杨氏模量。所述设备包括
-用于激发颗粒1的光学装置7；-颗粒放置于其上的支承件8；-测量装置9，其能够检测被装置7激发的颗粒1的振动，并能够测量由装置7激发的颗粒1的共振频率；-计算装置，用于由测量的共振频率检测可能的裂缝和/或用于估算寻求特征。设置支承件8以便在测量期间将颗粒1保持就位，同时最小化颗粒与支承件之间的接触面积，以便不影响颗粒的振动行为。优选地，该接触类似于点或是对应于直径较小的圆。优选地，支承件8包括用于冷却颗粒的装置，使得热不稳定性不干扰测量。激发装置7包括强度调制激光11。激光11发射持续时间非常短的脉冲，包含在 0. 5ns与50ns之间，比如为具有0. 9ns持续时间的脉冲。激光11在每次脉冲发射包含在1 μ J与ImJ之间的能量，比如5 μ J0激光11以包含在200nm与15，OOOnm之间的波长，比如具有值为1047nm的波长操作。装置7包括允许从激光11发射到颗粒1并成形射束13的一组光学机械元件。激光11比如为Nd:YAG型。调整激光11以便局部地加热颗粒1，使得后者在热弹性条件下被激发。在图1的燃料颗粒1的情况下，由激光11发射的能量以小于lGW/cm2的能量密度沉积。确实地，众所周知，根据照射能量密度，颗粒1可在热弹性条件下或在材料烧蚀条件下被激发。将能量密度限制在两个条件之间取决于构成颗粒1的材料。为了处于热弹性条件下，即用于非破坏性测试，能量密度必须小于烧蚀阈值Is (以 W/cm2计)，该阈值取决于材料此后的热物理数据并由以下关系限定
权利要求
1.一种用于表征多层结构(1)的非破坏性和无接触方法，所述多层结构基本上为球形几何形状，包括由分界面分开的至少两层0、3、4、5、6)，所述方法包括以下步骤利用激光(11)，在热弹性条件下局部地加热所述结构(1)，使得所述结构(1)以非破坏性的方式被设成振动；测量所述结构(1)的振动模式的共振频率(Fraip)；由所述结构(1)的所述共振频率(Frap)推断与所述结构(1)的完整性、或几何形状或机械特性有关的至少一个特征。
2.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，所述共振频率(Fraip)的测量用光学测量装置(9)执行。
3.根据权利要求2所述的表征方法，其特征在于，所述光学测量装置(9)包括干涉测量装置(17)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的表征方法，其特征在于，所述结构(1)内存在或不存在裂缝由所述共振频率(Frap)推断，共振频率(Frap)存在于至少一个预定频带(BIl至 BI5)内表示所述结构(1)中存在裂缝，共振频率不存在于所述预定频带或每个预定频带中表示所述结构(1)中不存在裂缝。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的表征方法，其特征在于，所述层(2、3、4、5、6)中至少一个的至少一个寻求的几何特征或机械特征由所述结构(1)的所述共振频率(Fraip)推断，所述至少一个寻求的几何特征或机械特征从密度、厚度、杨氏模量和泊松系数中选择。
6.根据权利要求5所述的表征方法，其特征在于，所述寻求的几何特征或机械特征通过以下反演法推断a/由用于所述层或各层0、3、4、5、6)的所述几何特征和机械特征的理论值或测量值的相应的组计算理论共振频率(F。al。)，所述理论值或测量值包括所述寻求的几何特征或机械特征的或各寻求的几何特征或机械特征的第一值，所述理论值或测量值的组对于所述层或各层(2、3、4、5、6)包括密度、厚度、杨氏模量和泊松系数；b/计算所述理论共振频率(F。al。)与所述测量的共振频率(Fraip)之间的偏差；c/通过迭代步骤a/、b/、和c/，直到在步骤b/计算的偏差小于预定极限(L)，并从理论值或测量值的相应的组选择用于所述寻求特征的或各寻求特征的新值。
7.根据权利要求6所述的表征方法，其特征在于，利用所述结构(1)的解析振动模型在步骤a/计算所述理论共振频率(F。al。)。
8.根据权利要求6或7所述的表征方法，其特征在于，通过由测量的共振频率(Fraip) 反演所述结构(1)的线性振动模型计算用于所述寻求特征的理论初始值，初始化所述反演法。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的表征方法，其特征在于，在步骤c/中，利用所述结构(1)的线性振动模型，由在步骤a/中考虑的所述寻求的几何特征或机械特征的或各寻求的几何特征或机械特征的所述第一值以及由在步骤b/中计算的所述理论共振频率(F。al。) 与所述测量的共振频率(Frap)之间的偏差，计算所述寻求特征的或各寻求特征的所述新值。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的表征方法，其特征在于，所述结构(1)是一种核燃料颗粒，该核燃料颗粒包括芯部(2)和围绕所述芯部O)的至少两层(3、4、5、6)。
11.根据权利要求10所述的表征方法，其特征在于，所述核燃料颗粒(1)从内部至外部包括裂变材料芯部O)、多孔高温碳层(3)、第一致密高温碳层G)、陶瓷层( 和第二致密高温碳层(6)，所述寻求的几何特征或机械特征包括选自所述多孔高温碳层(3)的杨氏模量、所述第一致密高温碳层(4)的杨氏模量、所述陶瓷层( 的杨氏模量和所述多孔高温碳层(3)的密度的至少两个特征。
12.根据前述权利要求中任一项所述的表征方法，其特征在于，所述激光(11)是强度调制激光，比如是传送能量包含在每个脉冲1 μ J和ImJ之间的脉冲激光，各脉冲具有包含在0. 5和50毫微秒之间的持续时间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的表征方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤测量由弹性波在所述层(2、3、4、5、6)之间的所述分界面处的反射引起的回波的周期； 由所述周期推断与所述结构(1)的所述几何形状或所述机械特征相关的至少一个特征。
14.根据权利要求13所述的表征方法，其特征在于，由所述回波的所述周期根据所述层(2、3、4、5、6)的厚度推断所述弹性波在所述层(2、3、4、5、6)的一个中的传播速度。
15.根据权利要求14所述的表征方法，其特征在于，根据所述传播速度和所述层(2、3、 4、5、6)的密度确定所述层(2、3、4、5、6)的杨氏模量。
16.一种用于表征多层结构(1)的设备，所述没备适于应用根据权利要求1至15所述的方法，所述设备包括激光(11)，所述激光(11)能够在热弹性条件下局部地加热所述结构(1)，使得所述结构(1)以非破坏性的方式被设成振动；装置(9)，所述装置(9)用于测量所述结构(1)的振动模式的共振频率(Fexp)； 装置(19)，用于由所述结构(1)的所述共振频率(Frap)推断与所述结构(1)的完整性、 或所述几何形状或所述机械特征相关的至少一个特征。
全文摘要
本发明涉及一种用于多层结构(1)的非破坏性和无接触的表征方法，多层结构(1)具有基本上的球形并包括由分界面分开的至少两层(2、3、4、5、6)，该方法包括以下步骤利用激光(11)在热弹性状态下局部地加热结构(1)，使得结构(1)以非破坏性方式振动；测量结构(1)的振动模式的共振频率(Fexp)；由结构(1)的共振频率(Fexp)导出关于结构(1)的完整性、或形状或机械特征的至少一个特征。
文档编号G01N25/72GK102317764SQ200980155831
公开日2012年1月11日 申请日期2009年12月23日 优先权日2008年12月24日
发明者丹尼斯·穆尼耶, 朱利恩·邦谢, 艾哈迈德·阿姆齐亚内, 让-马克·布勒托 申请人:阿海珐核能公司