一种芯块多参数测量系统的制作方法

本发明属于芯块测量领域，尤其涉及一种芯块多参数测量系统。

背景技术：

1、当前，能源短缺与环境污染是制约国民经济进一步发展的重要因素。核电是一种经济、清洁、安全、可靠的新能源，在环境污染问题和能源危机问题越来越严重的背景下，核电即将迎来发展新高峰。核电发展的重要制约因素是安全问题，核燃料芯块的参数控制在安全防护中处于核心地位。

2、燃料芯块，为构成燃料元件而堆叠在包壳内的燃料小块，通常为圆柱形。燃料芯块是燃料元件的核心部分。目前在核燃料领域中，氧化铀、氧化钍、氧化钚及其混合物和其他氧化物的应用较为广泛。

3、燃料芯块大多采用传统的粉末冶金工艺制造，即将氧化物粉末冷压成生坯，然后高温烧结成圆柱形并具有一定尺寸、强度和密度的烧结快，最后通过磨削和检查，得到符合技术条件的燃料芯块。

4、目前，国内外核电站广泛采用二氧化铀芯块作为核燃料元件，为保证反应堆安全运行，对核燃料元件制定了非常严格的质量指标。在诸多质量指标中，芯块的几何体积、真体积、开口孔率、质量、几何密度(质量与几何体积的比值)、密度(质量与真体积的比值)等参数占有非常重要的地位。

5、这是因为，核燃料芯块的几何尺寸决定芯块和包壳管的结合状态，包壳和芯体的间隙以及芯棒在包壳中的位置对称性，将影响核燃料的导热和径向温度的分布以及辐照效应，同时，核燃料芯块的几何密度是影响热导率、反应性和抗震性至关重要的因素。芯块的几何尺寸对于核反应堆燃烧的安全和效率至关重要：直径过大，燃烧时芯块会挤破包壳管的管壁。芯块和包壳管的变形会极大减少核燃料的寿命，影响核反应效率和安全性。

6、为了缓解这些pci作用，改进芯块端部几何设计的相关研究已经广泛开展，常见的一种二氧化铀芯块的形状如图1和图2所示，二氧化铀芯块整体呈圆柱状，其两端的端面具有倒角，且每个端面上还具有同轴设置的碟型凹陷部；芯块两端面的碟形凹陷部可以补偿中心部轴向辐照膨胀，而倒角可以补偿端部的径向辐照膨胀；但碟形凹陷部和倒角的尺寸需保持在一个合适的范围内，才能精确的补偿轴向和径向膨胀。所以，为了控制反应堆的传热和反应性以及便于更换元件，核燃料芯块的几何尺寸必须控制在设计标准内。

7、因此，亟需设计一种芯块多参数测量系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种芯块多参数测量系统，通过本发明芯块多参数测量系统的结构设计和方法设计，实现了针对小体积异型结构的芯块的几何体积、真体积、开口孔率、质量、几何密度、密度的准确高效测量。

2、本发明目的通过下述技术方案来实现：

3、一种芯块多参数测量系统，所述芯块多参数测量系统包括：几何体积测量单元、真体积测量单元和数据处理单元，由几何体积测量单元、真体积测量单元分别完成待测芯块的几何体积及真实体积测量，并基于下式完成芯块的开口孔率φ的计算：

4、其中，v几为芯块的几何体积，vreal为芯块的真实体积；

5、所述几何体积测量单元包括：光源和成像单元；

6、待测的芯块设置于光源与成像单元之间，并经平行光照射后于成像单元内进行成像；

7、所述成像单元内获得的成像数据为基于若干点云拟合得到的芯块轮廓，

8、所述数据处理单元基于成像单元和激光传感器测得的成像数据完成芯块直径d、高度h，以及芯块上倒角高度hdj、倒角宽度wdj，以及碟形深度hdx、碟形宽度wdx，从而完成芯块的几何体积v几计算；

9、所述几何体积v几采用下式计算获得：

10、

11、所述真体积测量单元包括：气源、静压机构和若干测量腔；

12、各测量腔包括：进气口、进气阀、样品池、第一压力传感器、连通阀、扩张池、第二压力传感器、排气阀和排气口；

13、所述进气口经管体与所述样品池连通，所述进气阀设置于进气口与样品池之间的管体上，进行体积测量时，待测的芯块置于样品池内；所述第一压力传感器与所述样品池连通，用于完成样品池的压力测量；

14、所述样品池经所述连通阀与所述扩张池连通，所述扩张池经管体与排气口连通，所述扩张池与排气口之前设有排气阀；所述第二压力传感器与所述扩张池连通，用于完成扩张池的压力测量；所述进气口与气源连通；所述静压机构为各测量腔上的样品池提供盖体机构。

15、根据一个优选的实施方式，所述成像单元由若干阵列式成像传感器构成；所述成像单元拟合得到的芯块轮廓包括：侧壁轮廓线ab及ij，顶端倒角轮廓线bc及gi，顶端肩部轮廓线ce及fg，顶端碟形轮廓弧线ef，底端倒角轮廓线jk及ap，底端肩部轮廓线pn及mk，底端碟形轮廓弧线nm。

16、根据一个优选的实施方式，基于两侧壁轮廓线ab及ij上各点坐标，取两条轮廓线ab及ij的最小距离作为芯块的圆柱直径值d；基于两肩部轮廓线ce及pn上各点坐标，取两条轮廓线ce及pn的最小距离作为芯块的圆柱第一高度h1；基于两肩部轮廓线fg及mk上各点坐标，取两条轮廓线fg及mk的最小距离作为芯块的圆柱第二高度h2；则芯块的高度h为：h＝(h1+h2)/2。

17、根据一个优选的实施方式，基于轮廓线bc端点的坐标信息，完成轮廓线bc的长度计算，得到倒角轮廓线bc的长度；并基于轮廓线bc和ce的坐标信息，获得于轮廓线bc和ce的夹角α，且α＜90°；从而，倒角宽度wdj＝bc*cosα，倒角高度hdj＝bc*sinα。

18、根据一个优选的实施方式，所述激光传感器安装于所述支撑台的底面，并产生竖直方向激光线；且支撑台上设有用于通过激光线的条形槽体，所述激光线穿过支撑台用于完成芯块底部扫描，获得底端倒角轮廓线jk及ap，底端肩部轮廓线pn及mk，底端碟形轮廓弧线nm。

19、根据一个优选的实施方式，基于底部轮廓线内各点坐标数据拟合获得直线l1，然后，直线l1拟合后，进行数据筛选，位于ll直线上方的数据再次进行直线拟合确定凹坑的基准线l2，且肩部轮廓线pn及mk与基准线l2重合；从基准线l2中心开始向数据两端进行数据筛选，位于直线l2下方点即为碟形轮廓弧线nm的各轮廓点，并取弧线nm的各轮廓点与基准线l2的距离最大值为碟形深度值hdx；并基于碟形轮廓弧线nm，拟合得到半径为r及以原点o为圆心的圆，则圆心o距基准线l2的距离为r-hdx，碟形宽度wdx为：

20、

21、根据一个优选的实施方式，所述芯块真实体积vreal采用如下方法测量：

22、设样品池容积为v1、扩张池容积v2，芯块的真实体积为vreal；

23、(1)打开样品池，放入待测芯块，关闭样品池；

24、(2)气源减压阀输出压力设置为0.3mpa-0.5mpa；

25、(3)打开进气阀、连通阀、排气阀，通入惰性气体，排除池内的空气，依次关闭连通阀、排气阀，待扩张池压力稳定后，读取扩张池的压强值，记为p2；

26、(4)关闭进气阀，待样品池压力稳定后，读取样品池的压强值，记为p1；

27、(5)p1、p2记录完毕之后，打开连通阀，待压力稳定后，再分别读取样品池和扩张池两个压力表的读数，取平均值记为p3；

28、(6)打开排气阀，排出气体；

29、(7)数据处理：

30、未连通时样品池气体状态方程为：

31、p1(v1-vreal)＝n1r1t1

32、未连通时扩张池的气体状态方程为：

33、p2v2＝n2r2t2

34、样品池和扩张池联通后，气体状态方程为：

35、p3(v1+v2-vreal)＝n3r3t3

36、整个过程中，池内温度保持不变，即t1＝t1＝t3。常数r不变,则可得:

37、vreal＝v1+v2*(p2-p3)/(p1-p3)，其中v1和v2为已知。

38、根据一个优选的实施方式，所芯块多参数测量系统还包括质量测量单元，所述质量测量单元包括电子天平，由数据处理单元完成电子天平测得的芯块质量m的获取；从而芯块的真实密度ρreal＝m/vreal。

39、根据一个优选的实施方式，所芯块多参数测量系统还包括：上料盒、下料盒、芯块转运单元和支撑台，所述上料盒、几何体积测量单元、真体积测量单元、质量测量单元和下料盒于支撑台的台面上依次呈一字排列设置；所述芯块转运单元与上料盒、几何体积测量单元、真体积测量单元、质量测量单元、下料盒的排列方向平行设置，用于完成芯块的转运。

40、根据一个优选的实施方式，所述芯块转运单元包括：轨道、支架、吸盘和直线电机；所述轨道设置于支撑台的台面之上，并与上料盒、真体积测量单元、质量测量单元、下料盒的排列方向平行设置；所述支架底端活动固定于轨道之上，另一端设有吸盘，所述吸盘经气缸驱动完成芯块的吸附固定；且所述直线电机与轨道平行设置，所述支架底端经连接件与直线电机连接，并由所示直线电机驱动支架移动至上料盒、真体积测量单元、质量测量单元或下料盒位置处，完成相应位置处芯块的取放。

41、根据一个优选的实施方式，所述静压机构包括：静压支架、静压气缸和密封盖，所述静压支架底侧固定有若干静压气缸，各静压气缸的轴杆末端设置有密封盖，通过所述密封盖完成样品池的开合；当待测芯块放入样品池，进行体积测量时，所述密封盖完成样品池的封闭，当测量结束时，所述密封盖与样品池分离；所述密封盖与样品池之间还设有o型密封垫圈，所述o型密封垫圈绕样品池的开口端设置。

42、根据一个优选的实施方式，所述静压机构还包括：顶推机构和导轨，所述静压支架活动连接于导轨上，所述顶推机构经连接件与所述静压支架相连，用于实现静压支架在导轨上往复运动驱动；所述导轨上设有限位机构，以使得所述静压支架运动至限位机构位置处时，密封盖位于样品池的顶侧。

43、前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

44、本发明的有益效果：通过本发明系统结构设置，实现了针对小体积异型结构的芯块的开口孔率和密度的准确高效测量。

45、通过本发明芯块几何体积测量单元实现了芯块的几何尺寸的高效测量。保证了核燃料芯块的质量，避免了因为芯块几何体积测量不准引起实用过程变形，导致减少核燃料的寿命及影响核反应效率和安全性的问题。

46、通过本发明的真体积测量单元，实现了小体积异型物料的体积的精确测量，避免了采用传统的浸渍法和光电测量法难以进行精确测量的问题，进而实现了密度的精确高效测量。