专利名称:尤其用于高温反应堆的核燃料颗粒的无损表征方法
技术领域：
本发明通常涉及无损表征(non-destructive characterisation)方法，尤其涉及用于高温反应堆的核燃料颗粒(particle)的无损表征方法。
更具体地，根据第一方面，本发明涉及用于表征包括多个叠加层的元件(element) 的方法，所述多个叠加层通过分界面(interface)彼此分离。
背景技术：
用于高温核反应堆的核燃料颗粒基本为球形，并且包括裂变芯体(core)，所述裂变芯体被包覆以致密的和多孔的热解碳(pyrocarbon)和陶瓷材料层，所述陶瓷材料诸如碳化硅或碳化锆。对组成(compose)燃料颗粒的每一层的密度的确定是鉴定 (qualification)该燃料所必需的参数。
用于该目的最常见的方法是浮选(flotation)法。从要表征的一批颗粒中采样多个参考颗粒。切割所述颗粒并分离每一层的片段(Piece)以便进行密度测量。将这些片段相继放置在其密度随温度显著变化的液体中。然后改变液体的温度，并且注意这些片段在什么温度下漂移到液体的底部。构成(constitute)该片段的材料的密度对应于这个温度下的液体密度。
这种方法的缺点是使用有毒液体。而且，这种表征方法较慢并且会破坏所表征的燃料颗粒。最后，发现该方法的实现极为复杂，因为必须逐一分离和鉴别(identify)每一层的片段。
发明内容
在该上下文中，本发明的目标是提供一种可用于高温反应堆的核燃料颗粒的、无损的、环境友好和实现起来更快速的表征方法。
为此，本发明涉及一种上述类型的表征方法，其特征在于它至少包括以下步骤
-利用从源发射的辐射来照射元件；
-在探测器上获取透射(transmit)穿过(through)所述元件的辐射，该透射的辐射在所述探测器上形成所述元件的实验图像，所述探测器被放置在距所述元件某个距离处，使得在实验图像上在层间的分界面处出现由所述元件引起的波前改变所导致的干涉条纹(interference fringe)；
-通过基于所述实验图像进行计算来确定至少一个特定层的至少一种物理特性 (characteristic)的近似值，通过最小化所述实验图像和至少一部分实验图像的模拟图像之间的偏差来实现所述确定步骤。
所述方法还可具有一个或多个下列特征(feature)，它们可单独被采用或根据任何技术上可能的组合被采用
-所述辐射由X射线源发射；
-所述探测器是用于直接或间接探测的电荷转移相机(chargetransfercamera)；
-要确定的物理特性是密度；
-要确定的物理特性是厚度；
-所述方法包括用于确定探测器的脉冲响应的预先步骤，所述步骤通过以下操作实现
-在所述探测器上获取样品元件(sampleelement)的实验图像；
-计算所述样品元件的至少一部分实验图像的模拟图像；
-通过最小化所述样品元件的模拟图像和实验图像之间的偏差，确定所述探测器的脉冲响应；以及
-将所述样品元件放置为与所述探测器相对(against)，为所述样品元件的至少一边实现模拟图像。
根据第二方面，本发明涉及使用上述方法以表征基本为球形的颗粒，所述颗粒包括基本为球形、基本同心并叠加的多个层。
根据具体实施例，对所述方法的使用可具有一个或多个以下特点
-所述实验图像基本为圆形，所述模拟图像为延伸经过所述实验图像直径的直线 (line)；以及
-所述颗粒是核燃料的颗粒。
将根据下面给出的描述，通过非限制性的例子并参考附图来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结构的例子的中纬切面 (equatorial section)不意图；
-图2是示出实施根据本发明的表征方法的设备(installation)的示意性视图；
-图3示出用由包括碳化硅芯体的碳纤维所构成的元件实施本发明的方法时所获得的实验图像；
-图4是示出沿图3的水平线L的灰度的曲线图；
-图5是基于利用图2的设备所获得的颗粒的实验图像来计算图1的颗粒的各层的厚度和密度的步骤的示意性框图。
具体实施方式
图1原理性地示出了用于高温或超高温反应堆(HTR/VHTR)的核燃料的颗粒1。
根据传统的方式，该颗粒1通常是球形的，并且从内层到外层依次包括
-裂变材料芯体3，该裂变材料例如是基于UO2的(它可以是其它类型的裂变材料， 诸如UC0,即UO2和UC2的混合物)，
-多孔热解碳层5，
-第一致密热解碳层7，
-碳化硅层9(或诸如碳化锆之类的另一种陶瓷)，和
-第二致密热解碳层11。
4[0038]当使用这样的颗粒时，多孔热解碳作为裂变气体的容器(reservoir)，碳化硅作为阻止固态裂变产物扩散的屏障(barrier)，并且致密热解碳提供裂变气体在压力下的机械强度。
芯体3的直径为例如大约500 μ m,其直径从100 μ m到1000 μ m变化都是有可能的，层5、7、9和11的厚度分别为例如95、40、35和40 μ m。
应当注意，芯体3和层5、7、9、11的相对尺寸与图1并不一致。
利用在具有流化床(fluid bed)的炉(oven)中进行的化学气相沉积方法来沉积多个层，具体而言是热解碳层5、7、11。
图2所示的设备能够测量至少层5、7、9和11的密度和厚度。
该设备包括
-能够产生X辐射15的X射线源13，其中，X辐射15形成在图2的箭头F所示的大致方向上延伸的射束；
-探测器17，其对X辐射敏感，并且被安放以截取源13所产生的辐射15；
-数据处理单元19。
源13 优选为发射单频(monochromatic)辐射的间歇源(intermittent source)。 源13是例如具有微焦点或旋转阳极的X射线管，或者是可以与光学装置(instrument)关联或不关联的同步加速器(synchrotron)，所述光学装置例如是多层反射镜或空心光纤网络。
要表征的上述类型的颗粒21被放置在距离源13 dl处，以便被辐射15照射。辐射15的一部分23透射通过颗粒21并击中探测器17。这一部分在下面的描述中将被称为透射辐射。源13、颗粒21和探测器17基本成一直线。
探测器17是例如利用直接探测或间接探测的电荷转移相机，被称为CCD相机，其中，间接探测意味着前面有一个使相机对源13发射的X辐射敏感的闪烁体 (scintillator).探测器被放置在距离要表征的颗粒21 d2处。透射辐射23在探测器17 上形成颗粒21的实验图像。应当注意，探测器也可以是诸如光激励屏(photostimulable screen)之类的非数字探测器，通过辅助的数字化设备来获得实验图像。
在探测器17上获取的实验图像通常是二维图像，构成实验图像的各个点是同时获取的。
如图2所示，辐射15在源13和颗粒21之间具有基本为球形的波前。随着距离dl 增加，这些波前变得越来越不那么球形。构成透射辐射的X射线在该颗粒具有不同厚度的方向上与颗粒21相交并延伸穿过不同材料。从而，根据波长和所通过的材料的密度、性质和厚度，它们经历可变的相移。因而，透射辐射23具有被物体(object)改变的波前。探测器和颗粒21之间的距离d2被选择为使得在探测器17上获得的颗粒21的实验图像上出现干涉条纹。由于通过颗粒21的X射线所经历的所述可变相移，这些干涉条纹至少在颗粒的层5、7、9和11之间的分界面处出现在实验图像上。
这样，实验图像是利用被称为相衬射线照相术(phase contrastradiography)的技术而获取的图像。它对应于利用入射X射线穿过要表征的元件时的吸收而获得的图像上的干涉条纹的叠加。基本上利用直接透射穿过要表征的元件的辐射来形成通过吸收所获得的图像。入射辐射被衍射或反射的一部分中只有少量到达探测器。[0053]探测器17所获得的实验图像被提供给数据处理单元19。数据处理单元19包括例如其中具有以显示屏25形式的显示装置的微计算机。单元19还连接到使颗粒21能够得到支撑并能够平行于辐射15移动的装置27。单元19还连接到使探测器17也能够平行于辐射15移动的装置四。
下面将详细描述能够通过基于探测器17所获得的实验图像进行计算来确定颗粒 21的层5、7、9和11的密度和厚度的方法。
图3示出能够由探测器17获得的实验图像的例子。为了使描述更加清楚，图3示出的是包括在图2所示的条件下获得的碳化硅芯体的碳纤维的实验图像。数据处理装置19 提取实验图像的分布图(profile)，在该实例中是沿图3所示的直线L来获取的。图3图像上的纤维31在垂直方向上延伸。沿图3中的水平线来获取分布图L。
图4示出对于探测器沿直线L的每个像素，以图3图像中的灰度来表示的沿直线 L的分布图。由于纤维的存在、波长、以及纤维的性质、密度和厚度，分布图具有固有的灰度变化。
数据处理单元19然后计算直线L的模拟分布图。为此，如图5所示，单元19使用不同参数的输入值。这些参数是
-对于沿直线L的每个像素，探测器17的脉冲响应；
-源13的特征谱；
-颗粒21的芯体3、层5、7、9和11的厚度和密度。
然后，单元19将模拟分布图与实验分布图相比较，并以迭代方式调整层5、7、9和 11的密度和厚度以使得实验和模拟分布图之间的差别最小。当所述差别稳定在一个接近零的值时，即迭代过程已经到达收敛点时，停止迭代过程。单元19提供与迭代过程收敛到的模拟分布图相对应的层5、7、9和11的密度和厚度值，作为分析结果。
单元19所模拟的分布图是沿着直线L逐像素计算的。在下面的描述中，将使用坐标为x、y、z的系统，其中ζ是沿着与辐射束X的传播方向F平行的轴的坐标，χ和y是在与 CCD相机的感光区域平行的平面中的坐标，所述平面与方向F正交。
为此，单元19使用下面的一般等式
权利要求
1.一种用于表征包括通过分界面彼此分离的多个叠加层(5，7，9，11)的元件(1，21)的方法，其特征在于，至少包括以下步骤-利用从源(13)发射的辐射(15)照射所述元件(1，21)；-在探测器(17)上获取透射穿过所述元件(1，21)的辐射(23)，该透射辐射在所述探测器(17)上形成所述元件(1，21)的实验图像，所述探测器(17)被放置在距所述元件(1， 21)的某个距离处，使得在实验图像上在所述层(5，7，9，11)之间的所述分界面处出现干涉条纹；-通过基于所述实验图像进行计算来确定至少一个特定层(5，7，9，11)的至少一种物理特性的近似值，通过最小化所述元件(1，21)的所述实验图像和至少一部分所述实验图像的模拟图像之间的偏差来实现所述确定步骤。
2.根据权利要求
1所述的方法，其特征在于，由X射线源(13)发射所述辐射。
3.根据权利要求
1或2所述的方法，其特征在于，所述探测器(17)是用于直接探测或间接探测的电荷转移相机。
4.根据权利要求
1或2所述的方法，其特征在于，要确定的所述物理特性是密度。
5.根据权利要求
1或2所述的方法，其特征在于，要确定的所述物理特性是厚度。
6.根据权利要求
1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括用于确定所述探测器 (17)的脉冲响应的预先步骤，所述预先步骤通过以下操作实现-在所述探测器(17)上获取样品元件的实验图像；-计算所述样品元件的至少一部分实验图像的模拟图像；-通过最小化所述样品元件的所述模拟图像和所述实验图像之间的偏差，确定所述探测器的所述脉冲响应。
7.根据权利要求
6所述的方法，其特征在于，所述样品元件被放置为与所述探测器 (17)相对，为所述样品元件的至少一边实现所述模拟图像。
8.根据权利要求
1-7中任一项所述的方法的应用，以表征基本为球形的颗粒，所述颗粒包括基本为球形、基本同心并叠加的多个层(5，7，9，11)。
9.根据权利要求
8所述的应用，其特征在于，所述实验图像基本为圆形，所述模拟图像为延伸经过所述实验图像直径的直线(L)。
10.根据权利要求
8或9所述的应用，其特征在于，所述颗粒(1，21)是核燃料的颗粒。
专利摘要
本发明涉及一种尤其用于高温反应堆的核燃料颗粒的无损表征方法。本方法的目标是表征包括通过分界面彼此分离的多个叠加层的元件(21)。所述方法至少包括以下步骤利用从源(13)发射的辐射(15)照射所述元件(21)；在探测器(17)上采集透射穿过所述元件(21)的辐射(23)，该透射辐射在所述探测器(17)上形成所述元件(21)的实验图像，所述探测器(17)被放置在距所述元件(21)的某个距离处以使得在实验图像上出现在层之间的分界面处的干涉条纹；通过基于所述实验图像进行计算来确定至少一个给定层的至少一种物理特性的近似值，通过最小化所述元件(21)的所述实验图像和至少一部分所述实验图像的模拟图像之间的偏差来实现所述确定步骤。
文档编号G01N23/20GKCN101517401 B发布类型授权 专利申请号CN 200780034846
公开日2012年7月4日 申请日期2007年7月18日
发明者D·蒂西耶, J·班彻特 申请人:阿海珐核能公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan专利引用 (3),