专利名称：核燃料元件中氧化钆(Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)电磁感应检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种反应堆燃料芯快中可燃毒物的检测设备，特 别是一种核燃料元件中氧化钆(GdA)电磁感应检测装置。
技术背景高性能燃料组件中通常会在燃料棒加入一定数量的可燃毒物 (Gd203)来平衡其反应性。由于Gd元素对中子吸收能力很强，过量 的Gd会导致反应堆功率下降。因此，在高性能燃料组件的制造过程 中必须严格控制燃料棒中Gd的含量。在生产线上，燃料芯块装入核 燃料棒中，并以锆壳封装，装入各芯块的Gd含量要求必须相同，不 允许有不同Gd含量的芯块混入；故需要一种方法和设备在线检测整 个燃料棒的平均Gd含量以及各芯块Gd含量的均匀性，来保证核电站 安全运行。高性能燃料组件中的燃料芯块的主要成分是GdA和U02，电磁感 应方法检测主要是利用了 GdA和U02的磁导率的差异，Gd203的磁导率 远远大于U02，当燃料棒穿过载有交变电流的检测线圈靠近时，由于 线圈内部磁导率发生变化，检测线圈的阻抗也随之发生改变，因此线 圈阻抗的变化幅度与Gd203的含量基本成线性关系。检测时，只要测 量出线圈阻抗的变化幅度，根据建立好的标准曲线，便可以得到燃料 棒中Gd的含量。美国专利号US4134064、名称"消除铁磁杂质的影响、肌燃 料芯块中Gd20:i含量的电磁感应检测方法和设备"，其主要采用交变 电流感应技术来测量燃料芯块中的交变电流灵敏度，用直流磁场饱和 铁磁杂质成分。永恒磁铁的磁场方向同轴设置一对亥姆霍兹线圈(激 励线圈)，将参数完全一样的检测线圈和比较线圈置于亥姆霍兹线圈 之间， 一对亥姆霍兹线圈及检测线圈和比较线圈的轴线方向平行，检 测线圈和比较线圈的绕组反向连接，燃料棒穿过检测线圈，为燃料棒 提供饱和磁化的静直磁场。将亥姆霍兹线圈通上一定频率的交变电 流，产生一个频率恒定的交变磁场。在检测时，燃料棒匀速穿过检测 线圈，由于电磁感应的发生，检测线圈和比较线圈之间会产生一个不 平衡的感应电压信号，该信号的强度与所测棒材的磁化率u(dM/dH) 成正比关系。通过这种正比关系，便可以知道芯块中的Gd含量。在 生产过程中，芯块中会混入一定量的铁磁物质，由于铁磁物质的磁导 率远远大于Gd，在电磁检测时，铁磁物质的干扰信号远远大于Gd的 有用信号，因此检测时，必须将铁磁物质进行磁饱和(饱和后的铁磁 物质可以当作顺磁物质对待)。由于燃料芯块的生产工艺的不同，国 外燃料芯块中的铁磁物质含量为10 50ppm，而国内最高可达到 500ppm (含量在技术指标允许范围内)，为了保证有足够大的磁场强 度饱和芯块，因此，需要较高的永恒磁场进行饱和(20K0e以上)。 然而，该检测方法，其永恒磁铁在此情况下，其磁场强度达不到20KOe， 不适合于我国高性能燃料组件生产线上的检测。 发明内容本实用新型的目的在于提供一种核燃料元件中氧化钆(Gd203)
电磁感应检测装置，其能够有效地解决饱和磁场的问题，同时简化了 现有的检测装置、即采用激励线圈和检测线圈为同一线圈的检测装置，使Gd含量检测更快，更有效，更简单。实现本实用新型目的的技术方案 一种核燃料元件中氧化钆 (GdA)电磁感应检测装置，在探头壳体内、以水平中心线为对称轴 对称设置两个参数相同的检测线圈和比较线圈，磁饱和装置采用电磁 铁，探头的检测线圈设置在磁饱和装置的铁芯中间，且探头的检测线 圈与铁芯轴向通孔同轴，检测时燃料棒从通孔中穿过。本实用新型的效果(1)磁饱和装置采用电磁铁，在满足正常检 测的情况下，使电磁铁的磁极间距和磁极截面尽可能小，永恒磁场达到20K0e以上，保证有足够大的磁场强度饱和芯块；(2)采用激励线圈和检测线圈为同一线圈的检测装置，简化了现有的检测装置。本装置对于燃料芯块的6(1203含量测量精度高于0.3%，可信度为95%;能 够区分燃料棒中0(1203含量相差1%的单个混料芯块，可信度为95%。 同时，单根核燃料棒的检测速度大于4000mm/min。检测系统工作稳 定、操作方便、维护简单、价格低廉。
图l为探头的结构示意图；图2为磁饱和装置的结构示意图；图3为核燃料元件中氧化钆(Gd203)电磁感应检测装置的局部结 构示意图。 图中
l.检测线圈；2.比较线圈；3.探头壳体；4.接线柱；5.磁轭；6. 铁芯(磁极)；7.线包；8.螺栓；9.锆管；10.燃料棒。
具体实施方式
探头的结构示意图，如图1所示。其主要由检测线圈l、比较线圈2和壳体3构成，检测线圈1和比较线圈2的内部为通孔，两线圈 参数完全相同，其参数为(1)漆包线线径0.1mm 1.0mm; (2)线 圈内径9.5mm 14mm; (3)线圈宽度3mm 13mm; (4)线圈匝数50 500。检测线圈1和比较线圈2以探头壳体水平中心线为对称轴对称 安装，检测线圈1和比较线圈2两线圈的间距大于10mm，两线圈之 间保持一定距离，避免线圈之间产生互感现象；检测线圈l和比较线 圈2距离其通孔所对应探头壳体3边缘的距离大于10mm，两线圈与 其通孔所对应的探头壳体3的边缘应保持一定的距离，避免探头安装 在磁极间后，磁极对其产生干扰。检测线圈1和比较线圈2两线圈信 号的输入输出端与一个三芯接线相连，并连接到探头壳体3下面设置 的接线柱4上。磁饱和装置的结构示意图，如图2所示。磁饱和装置采用的电磁 铁，由磁轭5、铁芯6和线包7等组成。磁轭5外框架上设置两组线 包7 ，两组线包7并联连接，由直流电源供电，直流电压波动小于 0.5%。铁芯6为轴向穿孔的锥体形状，其铁芯6的轴向穿孔直径为① 10mm ①15nnn，当燃料棒通过磁场时不受磁场力作用，可以消除大磁 场给燃料棒传输带来的影响。电磁铁的两磁极6截面直径为①20mm On00mm，用于提高磁极间的磁场强度。铁芯6两小头端相对设置在
磁轭5内框架上。磁极6的尾部与螺栓8连接，螺栓8可以调节磁极 6间距来固定探头，磁极6间距调节范围0mm 200mm，简化了探头的 固定装置，同时也使探头的安装和更换更为简单。核燃料元件中氧化钆(GdA)电磁感应检测装置的局部结构示意 图，如图3所示。安装时将探头放置在磁饱和装置的两磁极6中间， 且探头的检测线圈1与磁极6轴向通孔同轴，借助于螺栓8调节两磁 极6间的间距，用两磁极6的压力将探头固定。使用时，将磁饱和装置的线包7通上直流电、电流范围为 0 100A ，在磁饱和装置的两铁芯6的磁极间便产生一稳恒磁场(N —S)，由于铁芯6的磁极截面大于检测线圈1的外径，稳恒磁场将整 个检测线圈覆盖。检测时，先将两线圈中分别放入一段与待检测核 燃料元件棒包壳材质和尺寸(内外径和壁厚)完全相同的锆管9 (抵 消检测线圈对锆管的信号，消除检测时锆管影响)。当检测线圈1和 比较线圈2加上完全相同的激励信号时(频率范围3KHz 30KHz)， 两线圈处于平衡状态，调节电路使输出信号为零。取出检测线圈1内 的锆管9，把含Gd燃料棒10匀速送入进行检测(锆管信号仍然抵消， 不平衡信号主要由Gd引起)，检测线圈1与比较线圈2之间便输出 一个不平衡的电压信号。通过制作输出的不平衡信号幅度与Gd含量 的标准曲线，当测量出这个不平衡信号幅度后，便可以得出Gd的含
权利要求1.一种核燃料元件中氧化钆(Gd2O3)电磁感应检测装置，包括检测线圈(1)和比较线圈(2)，其特征在于在探头壳体(3)内、以水平中心线为对称轴对称设置两个参数相同的检测线圈(1)和比较线圈(2)，磁饱和装置采用电磁铁，探头的检测线圈(1)设置在磁饱和装置的铁芯(6)中间，且探头的检测线圈(1)与铁芯(6)轴向通孔同轴，检测时燃料棒从通孔中穿过。
2. 如权利要求1所述的核燃料元件中氧化钆(Gd203)电磁感应检 测装置，其特征在于铁芯(6)的两磁极截面直径为①20mm ①100mm。
3. 如权利要求1或2所述的核燃料元件中氧化钆(GdA)电磁感 应检测装置，其特征在于铁芯(6)的磁极间距范围0mm 200mm。
4. 如权利要求1所述的核燃料元件中氧化钆(Gd203)电磁感应检 测装置，其特征在于探头内检测线圈(1)和比较线圈(2)两线圈的 间距大于lOmm。
5. 如权利要求1所述的核燃料元件中氧化钆(Gd203)电磁感应检 测装置，其特征在于探头内检测线圈(1)和比较线圈(2)距离其通 孔所对应探头壳体(3)边缘的距离大于lOmm。
6. 如权利要求1或2所述的核燃料元件中氧化钆(Gd203)电磁感 应检测装置，其特征在于铁芯(6)的尾部与螺栓(8)连接，螺栓(8) 可以调节铁芯(6)的磁极间距来固定探头。
7. 如权利要求1所述的核燃料元件中氧化钆(GdA)电磁感应检 测装置，其特征在于检测线圈(1)和比较线圈(2)的两线圈参数完全相同，其参数为漆包线线径0. lmm 1.0mm;线圈内径9. 5mm 14mm;线圈宽度3mm 13mm;线圈匪数50 500。
8. 如权利要求1或2所述的核燃料元件中氧化钆(Gd203)电磁感 应检测装置，其特征在于其中磁饱和装置包括磁轭(5)、铁芯(6) 和线包(7)，磁轭(5)内设置两铁芯(6)和两组线包(7)，两组线 包(7)并联连接，铁芯(6)位于线包(7)内。
9. 如权利要求1所述的核燃料元件中氧化钆(GdA)电磁感应 检测装置，其特征在于磁饱和装置的线包(7)通上直流电、电流范 围为0 100A 。
10. 如权利要求1所述的核燃料元件中氧化钆(GdA)电磁感应 检测装置，其特征在于检测线圈(1)和比较线圈(2)加上频率范围 3KHz 30KHz完全相同的激励信号。
专利摘要本实用新型提供一种核燃料元件中氧化钆(Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)电磁感应检测装置，在探头壳体内、以水平中心线为对称轴对称设置两个参数相同的检测线圈和比较线圈，磁饱和装置采用电磁铁，探头的检测线圈设置在磁饱和装置的铁芯中间，且探头的检测线圈与铁芯轴向通孔同轴，检测时燃料棒从通孔中穿过。磁饱和装置采用电磁铁，永恒磁场达到20KOe以上，激励线圈和检测线圈为同一线圈的检测装置，简化了现有的检测装置。本装置对于燃料芯块的Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>含量测量精度高于0.3％，可信度为95％；能够区分燃料棒中Gd<sub>2</sub>O<sub>3</sub>含量相差1％的单个混料芯块，可信度为95％。检测系统工作稳定、操作方便、维护简单、价格低廉。
文档编号G01N27/72GK201017696SQ200620160619
公开日2008年2月6日 申请日期2006年11月17日 优先权日2006年11月17日
发明者明 刘, 平 袁, 邓景珊 申请人:核工业第五研究设计院