專利名稱:尤其用于高溫反應(yīng)堆的核燃料顆粒的無(wú)損表征方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及無(wú)損表征(non-destructive characterisation)方法，尤其涉及用于高溫反應(yīng)堆的核燃料顆粒(particle)的無(wú)損表征方法。
更具體地，根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及用于表征包括多個(gè)疊加層的元件(element) 的方法，所述多個(gè)疊加層通過(guò)分界面(interface)彼此分離。
背景技術(shù)：
用于高溫核反應(yīng)堆的核燃料顆?；緸榍蛐危⑶野炎冃倔w(core)，所述裂變芯體被包覆以致密的和多孔的熱解碳(pyrocarbon)和陶瓷材料層，所述陶瓷材料諸如碳化硅或碳化鋯。對(duì)組成(compose)燃料顆粒的每一層的密度的確定是鑒定 (qualification)該燃料所必需的參數(shù)。
用于該目的最常見(jiàn)的方法是浮選(flotation)法。從要表征的一批顆粒中采樣多個(gè)參考顆粒。切割所述顆粒并分離每一層的片段(Piece)以便進(jìn)行密度測(cè)量。將這些片段相繼放置在其密度隨溫度顯著變化的液體中。然后改變液體的溫度，并且注意這些片段在什么溫度下漂移到液體的底部。構(gòu)成(constitute)該片段的材料的密度對(duì)應(yīng)于這個(gè)溫度下的液體密度。
這種方法的缺點(diǎn)是使用有毒液體。而且，這種表征方法較慢并且會(huì)破壞所表征的燃料顆粒。最后，發(fā)現(xiàn)該方法的實(shí)現(xiàn)極為復(fù)雜，因?yàn)楸仨氈鹨环蛛x和鑒別(identify)每一層的片段。

發(fā)明內(nèi)容
在該上下文中，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種可用于高溫反應(yīng)堆的核燃料顆粒的、無(wú)損的、環(huán)境友好和實(shí)現(xiàn)起來(lái)更快速的表征方法。
為此，本發(fā)明涉及一種上述類型的表征方法，其特征在于它至少包括以下步驟
-利用從源發(fā)射的輻射來(lái)照射元件；
-在探測(cè)器上獲取透射(transmit)穿過(guò)(through)所述元件的輻射，該透射的輻射在所述探測(cè)器上形成所述元件的實(shí)驗(yàn)圖像，所述探測(cè)器被放置在距所述元件某個(gè)距離處，使得在實(shí)驗(yàn)圖像上在層間的分界面處出現(xiàn)由所述元件引起的波前改變所導(dǎo)致的干涉條紋(interference fringe)；
-通過(guò)基于所述實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行計(jì)算來(lái)確定至少一個(gè)特定層的至少一種物理特性 (characteristic)的近似值，通過(guò)最小化所述實(shí)驗(yàn)圖像和至少一部分實(shí)驗(yàn)圖像的模擬圖像之間的偏差來(lái)實(shí)現(xiàn)所述確定步驟。
所述方法還可具有一個(gè)或多個(gè)下列特征(feature)，它們可單獨(dú)被采用或根據(jù)任何技術(shù)上可能的組合被采用
-所述輻射由X射線源發(fā)射；
-所述探測(cè)器是用于直接或間接探測(cè)的電荷轉(zhuǎn)移相機(jī)(chargetransfercamera)；
-要確定的物理特性是密度；
-要確定的物理特性是厚度；
-所述方法包括用于確定探測(cè)器的脈沖響應(yīng)的預(yù)先步驟，所述步驟通過(guò)以下操作實(shí)現(xiàn)
-在所述探測(cè)器上獲取樣品元件(sampleelement)的實(shí)驗(yàn)圖像；
-計(jì)算所述樣品元件的至少一部分實(shí)驗(yàn)圖像的模擬圖像；
-通過(guò)最小化所述樣品元件的模擬圖像和實(shí)驗(yàn)圖像之間的偏差，確定所述探測(cè)器的脈沖響應(yīng)；以及
-將所述樣品元件放置為與所述探測(cè)器相對(duì)(against)，為所述樣品元件的至少一邊實(shí)現(xiàn)模擬圖像。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明涉及使用上述方法以表征基本為球形的顆粒，所述顆粒包括基本為球形、基本同心并疊加的多個(gè)層。
根據(jù)具體實(shí)施例，對(duì)所述方法的使用可具有一個(gè)或多個(gè)以下特點(diǎn)
-所述實(shí)驗(yàn)圖像基本為圓形，所述模擬圖像為延伸經(jīng)過(guò)所述實(shí)驗(yàn)圖像直徑的直線 (line)；以及
-所述顆粒是核燃料的顆粒。


將根據(jù)下面給出的描述，通過(guò)非限制性的例子并參考附圖來(lái)理解本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，其中
-圖1是示出用于高溫反應(yīng)堆的核燃料顆粒的結(jié)構(gòu)的例子的中緯切面 (equatorial section)不意圖；
-圖2是示出實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的表征方法的設(shè)備(installation)的示意性視圖；
-圖3示出用由包括碳化硅芯體的碳纖維所構(gòu)成的元件實(shí)施本發(fā)明的方法時(shí)所獲得的實(shí)驗(yàn)圖像；
-圖4是示出沿圖3的水平線L的灰度的曲線圖；
-圖5是基于利用圖2的設(shè)備所獲得的顆粒的實(shí)驗(yàn)圖像來(lái)計(jì)算圖1的顆粒的各層的厚度和密度的步驟的示意性框圖。
具體實(shí)施方式
圖1原理性地示出了用于高溫或超高溫反應(yīng)堆(HTR/VHTR)的核燃料的顆粒1。
根據(jù)傳統(tǒng)的方式，該顆粒1通常是球形的，并且從內(nèi)層到外層依次包括
-裂變材料芯體3，該裂變材料例如是基于UO2的(它可以是其它類型的裂變材料， 諸如UC0,即UO2和UC2的混合物)，
-多孔熱解碳層5，
-第一致密熱解碳層7，
-碳化硅層9(或諸如碳化鋯之類的另一種陶瓷)，和
-第二致密熱解碳層11。
4[0038]當(dāng)使用這樣的顆粒時(shí)，多孔熱解碳作為裂變氣體的容器(reservoir)，碳化硅作為阻止固態(tài)裂變產(chǎn)物擴(kuò)散的屏障(barrier)，并且致密熱解碳提供裂變氣體在壓力下的機(jī)械強(qiáng)度。
芯體3的直徑為例如大約500 μ m,其直徑從100 μ m到1000 μ m變化都是有可能的，層5、7、9和11的厚度分別為例如95、40、35和40 μ m。
應(yīng)當(dāng)注意，芯體3和層5、7、9、11的相對(duì)尺寸與圖1并不一致。
利用在具有流化床(fluid bed)的爐(oven)中進(jìn)行的化學(xué)氣相沉積方法來(lái)沉積多個(gè)層，具體而言是熱解碳層5、7、11。
圖2所示的設(shè)備能夠測(cè)量至少層5、7、9和11的密度和厚度。
該設(shè)備包括
-能夠產(chǎn)生X輻射15的X射線源13，其中，X輻射15形成在圖2的箭頭F所示的大致方向上延伸的射束；
-探測(cè)器17，其對(duì)X輻射敏感，并且被安放以截取源13所產(chǎn)生的輻射15；
-數(shù)據(jù)處理單元19。
源13 優(yōu)選為發(fā)射單頻(monochromatic)輻射的間歇源(intermittent source)。 源13是例如具有微焦點(diǎn)或旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極的X射線管，或者是可以與光學(xué)裝置(instrument)關(guān)聯(lián)或不關(guān)聯(lián)的同步加速器(synchrotron)，所述光學(xué)裝置例如是多層反射鏡或空心光纖網(wǎng)絡(luò)。
要表征的上述類型的顆粒21被放置在距離源13 dl處，以便被輻射15照射。輻射15的一部分23透射通過(guò)顆粒21并擊中探測(cè)器17。這一部分在下面的描述中將被稱為透射輻射。源13、顆粒21和探測(cè)器17基本成一直線。
探測(cè)器17是例如利用直接探測(cè)或間接探測(cè)的電荷轉(zhuǎn)移相機(jī)，被稱為CCD相機(jī)，其中，間接探測(cè)意味著前面有一個(gè)使相機(jī)對(duì)源13發(fā)射的X輻射敏感的閃爍體 (scintillator).探測(cè)器被放置在距離要表征的顆粒21 d2處。透射輻射23在探測(cè)器17 上形成顆粒21的實(shí)驗(yàn)圖像。應(yīng)當(dāng)注意，探測(cè)器也可以是諸如光激勵(lì)屏(photostimulable screen)之類的非數(shù)字探測(cè)器，通過(guò)輔助的數(shù)字化設(shè)備來(lái)獲得實(shí)驗(yàn)圖像。
在探測(cè)器17上獲取的實(shí)驗(yàn)圖像通常是二維圖像，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)圖像的各個(gè)點(diǎn)是同時(shí)獲取的。
如圖2所示，輻射15在源13和顆粒21之間具有基本為球形的波前。隨著距離dl 增加，這些波前變得越來(lái)越不那么球形。構(gòu)成透射輻射的X射線在該顆粒具有不同厚度的方向上與顆粒21相交并延伸穿過(guò)不同材料。從而，根據(jù)波長(zhǎng)和所通過(guò)的材料的密度、性質(zhì)和厚度，它們經(jīng)歷可變的相移。因而，透射輻射23具有被物體(object)改變的波前。探測(cè)器和顆粒21之間的距離d2被選擇為使得在探測(cè)器17上獲得的顆粒21的實(shí)驗(yàn)圖像上出現(xiàn)干涉條紋。由于通過(guò)顆粒21的X射線所經(jīng)歷的所述可變相移，這些干涉條紋至少在顆粒的層5、7、9和11之間的分界面處出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)圖像上。
這樣，實(shí)驗(yàn)圖像是利用被稱為相襯射線照相術(shù)(phase contrastradiography)的技術(shù)而獲取的圖像。它對(duì)應(yīng)于利用入射X射線穿過(guò)要表征的元件時(shí)的吸收而獲得的圖像上的干涉條紋的疊加。基本上利用直接透射穿過(guò)要表征的元件的輻射來(lái)形成通過(guò)吸收所獲得的圖像。入射輻射被衍射或反射的一部分中只有少量到達(dá)探測(cè)器。[0053]探測(cè)器17所獲得的實(shí)驗(yàn)圖像被提供給數(shù)據(jù)處理單元19。數(shù)據(jù)處理單元19包括例如其中具有以顯示屏25形式的顯示裝置的微計(jì)算機(jī)。單元19還連接到使顆粒21能夠得到支撐并能夠平行于輻射15移動(dòng)的裝置27。單元19還連接到使探測(cè)器17也能夠平行于輻射15移動(dòng)的裝置四。
下面將詳細(xì)描述能夠通過(guò)基于探測(cè)器17所獲得的實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行計(jì)算來(lái)確定顆粒 21的層5、7、9和11的密度和厚度的方法。
圖3示出能夠由探測(cè)器17獲得的實(shí)驗(yàn)圖像的例子。為了使描述更加清楚，圖3示出的是包括在圖2所示的條件下獲得的碳化硅芯體的碳纖維的實(shí)驗(yàn)圖像。數(shù)據(jù)處理裝置19 提取實(shí)驗(yàn)圖像的分布圖(profile)，在該實(shí)例中是沿圖3所示的直線L來(lái)獲取的。圖3圖像上的纖維31在垂直方向上延伸。沿圖3中的水平線來(lái)獲取分布圖L。
圖4示出對(duì)于探測(cè)器沿直線L的每個(gè)像素，以圖3圖像中的灰度來(lái)表示的沿直線 L的分布圖。由于纖維的存在、波長(zhǎng)、以及纖維的性質(zhì)、密度和厚度，分布圖具有固有的灰度變化。
數(shù)據(jù)處理單元19然后計(jì)算直線L的模擬分布圖。為此，如圖5所示，單元19使用不同參數(shù)的輸入值。這些參數(shù)是
-對(duì)于沿直線L的每個(gè)像素，探測(cè)器17的脈沖響應(yīng)；
-源13的特征譜；
-顆粒21的芯體3、層5、7、9和11的厚度和密度。
然后，單元19將模擬分布圖與實(shí)驗(yàn)分布圖相比較，并以迭代方式調(diào)整層5、7、9和 11的密度和厚度以使得實(shí)驗(yàn)和模擬分布圖之間的差別最小。當(dāng)所述差別穩(wěn)定在一個(gè)接近零的值時(shí)，即迭代過(guò)程已經(jīng)到達(dá)收斂點(diǎn)時(shí)，停止迭代過(guò)程。單元19提供與迭代過(guò)程收斂到的模擬分布圖相對(duì)應(yīng)的層5、7、9和11的密度和厚度值，作為分析結(jié)果。
單元19所模擬的分布圖是沿著直線L逐像素計(jì)算的。在下面的描述中，將使用坐標(biāo)為x、y、z的系統(tǒng)，其中ζ是沿著與輻射束X的傳播方向F平行的軸的坐標(biāo)，χ和y是在與 CCD相機(jī)的感光區(qū)域平行的平面中的坐標(biāo)，所述平面與方向F正交。
為此，單元19使用下面的一般等式
權(quán)利要求
1.一種用于表征包括通過(guò)分界面彼此分離的多個(gè)疊加層(5，7，9，11)的元件(1，21)的方法，其特征在于，至少包括以下步驟-利用從源(13)發(fā)射的輻射(15)照射所述元件(1，21)；-在探測(cè)器(17)上獲取透射穿過(guò)所述元件(1，21)的輻射(23)，該透射輻射在所述探測(cè)器(17)上形成所述元件(1，21)的實(shí)驗(yàn)圖像，所述探測(cè)器(17)被放置在距所述元件(1， 21)的某個(gè)距離處，使得在實(shí)驗(yàn)圖像上在所述層(5，7，9，11)之間的所述分界面處出現(xiàn)干涉條紋；-通過(guò)基于所述實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行計(jì)算來(lái)確定至少一個(gè)特定層(5，7，9，11)的至少一種物理特性的近似值，通過(guò)最小化所述元件(1，21)的所述實(shí)驗(yàn)圖像和至少一部分所述實(shí)驗(yàn)圖像的模擬圖像之間的偏差來(lái)實(shí)現(xiàn)所述確定步驟。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的方法，其特征在于，由X射線源(13)發(fā)射所述輻射。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征在于，所述探測(cè)器(17)是用于直接探測(cè)或間接探測(cè)的電荷轉(zhuǎn)移相機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征在于，要確定的所述物理特性是密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征在于，要確定的所述物理特性是厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括用于確定所述探測(cè)器 (17)的脈沖響應(yīng)的預(yù)先步驟，所述預(yù)先步驟通過(guò)以下操作實(shí)現(xiàn)-在所述探測(cè)器(17)上獲取樣品元件的實(shí)驗(yàn)圖像；-計(jì)算所述樣品元件的至少一部分實(shí)驗(yàn)圖像的模擬圖像；-通過(guò)最小化所述樣品元件的所述模擬圖像和所述實(shí)驗(yàn)圖像之間的偏差，確定所述探測(cè)器的所述脈沖響應(yīng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的方法，其特征在于，所述樣品元件被放置為與所述探測(cè)器 (17)相對(duì)，為所述樣品元件的至少一邊實(shí)現(xiàn)所述模擬圖像。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1-7中任一項(xiàng)所述的方法的應(yīng)用，以表征基本為球形的顆粒，所述顆粒包括基本為球形、基本同心并疊加的多個(gè)層(5，7，9，11)。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8所述的應(yīng)用，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)圖像基本為圓形，所述模擬圖像為延伸經(jīng)過(guò)所述實(shí)驗(yàn)圖像直徑的直線(L)。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8或9所述的應(yīng)用，其特征在于，所述顆粒(1，21)是核燃料的顆粒。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種尤其用于高溫反應(yīng)堆的核燃料顆粒的無(wú)損表征方法。本方法的目標(biāo)是表征包括通過(guò)分界面彼此分離的多個(gè)疊加層的元件(21)。所述方法至少包括以下步驟利用從源(13)發(fā)射的輻射(15)照射所述元件(21)；在探測(cè)器(17)上采集透射穿過(guò)所述元件(21)的輻射(23)，該透射輻射在所述探測(cè)器(17)上形成所述元件(21)的實(shí)驗(yàn)圖像，所述探測(cè)器(17)被放置在距所述元件(21)的某個(gè)距離處以使得在實(shí)驗(yàn)圖像上出現(xiàn)在層之間的分界面處的干涉條紋；通過(guò)基于所述實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行計(jì)算來(lái)確定至少一個(gè)給定層的至少一種物理特性的近似值，通過(guò)最小化所述元件(21)的所述實(shí)驗(yàn)圖像和至少一部分所述實(shí)驗(yàn)圖像的模擬圖像之間的偏差來(lái)實(shí)現(xiàn)所述確定步驟。
文檔編號(hào)G01N23/20GKCN101517401 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 200780034846
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2007年7月18日
發(fā)明者D·蒂西耶, J·班徹特 申請(qǐng)人:阿?，m核能公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (3),