核燃料元件中氧化釓(Gd₂O₃)電磁感應(yīng)檢測裝置的制作方法

專利名稱：核燃料元件中氧化釓(Gd₂O₃)電磁感應(yīng)檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種反應(yīng)堆燃料芯快中可燃毒物的檢測設(shè)備，特 別是一種核燃料元件中氧化釓(GdA)電磁感應(yīng)檢測裝置。
技術(shù)背景高性能燃料組件中通常會在燃料棒加入一定數(shù)量的可燃毒物 (Gd203)來平衡其反應(yīng)性。由于Gd元素對中子吸收能力很強(qiáng)，過量 的Gd會導(dǎo)致反應(yīng)堆功率下降。因此，在高性能燃料組件的制造過程 中必須嚴(yán)格控制燃料棒中Gd的含量。在生產(chǎn)線上，燃料芯塊裝入核 燃料棒中，并以鋯殼封裝，裝入各芯塊的Gd含量要求必須相同，不 允許有不同Gd含量的芯塊混入；故需要一種方法和設(shè)備在線檢測整 個(gè)燃料棒的平均Gd含量以及各芯塊Gd含量的均勻性，來保證核電站 安全運(yùn)行。高性能燃料組件中的燃料芯塊的主要成分是GdA和U02，電磁感 應(yīng)方法檢測主要是利用了 GdA和U02的磁導(dǎo)率的差異，Gd203的磁導(dǎo)率 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于U02，當(dāng)燃料棒穿過載有交變電流的檢測線圈靠近時(shí)，由于 線圈內(nèi)部磁導(dǎo)率發(fā)生變化，檢測線圈的阻抗也隨之發(fā)生改變，因此線 圈阻抗的變化幅度與Gd203的含量基本成線性關(guān)系。檢測時(shí)，只要測 量出線圈阻抗的變化幅度，根據(jù)建立好的標(biāo)準(zhǔn)曲線，便可以得到燃料 棒中Gd的含量。美國專利號US4134064、名稱"消除鐵磁雜質(zhì)的影響、肌燃 料芯塊中Gd20:i含量的電磁感應(yīng)檢測方法和設(shè)備"，其主要采用交變 電流感應(yīng)技術(shù)來測量燃料芯塊中的交變電流靈敏度，用直流磁場飽和 鐵磁雜質(zhì)成分。永恒磁鐵的磁場方向同軸設(shè)置一對亥姆霍茲線圈(激 勵線圈)，將參數(shù)完全一樣的檢測線圈和比較線圈置于亥姆霍茲線圈 之間， 一對亥姆霍茲線圈及檢測線圈和比較線圈的軸線方向平行，檢 測線圈和比較線圈的繞組反向連接，燃料棒穿過檢測線圈，為燃料棒 提供飽和磁化的靜直磁場。將亥姆霍茲線圈通上一定頻率的交變電 流，產(chǎn)生一個(gè)頻率恒定的交變磁場。在檢測時(shí)，燃料棒勻速穿過檢測 線圈，由于電磁感應(yīng)的發(fā)生，檢測線圈和比較線圈之間會產(chǎn)生一個(gè)不 平衡的感應(yīng)電壓信號，該信號的強(qiáng)度與所測棒材的磁化率u(dM/dH) 成正比關(guān)系。通過這種正比關(guān)系，便可以知道芯塊中的Gd含量。在 生產(chǎn)過程中，芯塊中會混入一定量的鐵磁物質(zhì)，由于鐵磁物質(zhì)的磁導(dǎo) 率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Gd，在電磁檢測時(shí)，鐵磁物質(zhì)的干擾信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Gd的 有用信號，因此檢測時(shí)，必須將鐵磁物質(zhì)進(jìn)行磁飽和(飽和后的鐵磁 物質(zhì)可以當(dāng)作順磁物質(zhì)對待)。由于燃料芯塊的生產(chǎn)工藝的不同，國 外燃料芯塊中的鐵磁物質(zhì)含量為10 50ppm，而國內(nèi)最高可達(dá)到 500ppm (含量在技術(shù)指標(biāo)允許范圍內(nèi))，為了保證有足夠大的磁場強(qiáng) 度飽和芯塊，因此，需要較高的永恒磁場進(jìn)行飽和(20K0e以上)。 然而，該檢測方法，其永恒磁鐵在此情況下，其磁場強(qiáng)度達(dá)不到20KOe， 不適合于我國高性能燃料組件生產(chǎn)線上的檢測。 發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種核燃料元件中氧化釓(Gd203)
電磁感應(yīng)檢測裝置，其能夠有效地解決飽和磁場的問題，同時(shí)簡化了 現(xiàn)有的檢測裝置、即采用激勵線圈和檢測線圈為同一線圈的檢測裝置，使Gd含量檢測更快，更有效，更簡單。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的技術(shù)方案 一種核燃料元件中氧化釓 (GdA)電磁感應(yīng)檢測裝置，在探頭殼體內(nèi)、以水平中心線為對稱軸 對稱設(shè)置兩個(gè)參數(shù)相同的檢測線圈和比較線圈，磁飽和裝置采用電磁 鐵，探頭的檢測線圈設(shè)置在磁飽和裝置的鐵芯中間，且探頭的檢測線 圈與鐵芯軸向通孔同軸，檢測時(shí)燃料棒從通孔中穿過。本實(shí)用新型的效果(1)磁飽和裝置采用電磁鐵，在滿足正常檢 測的情況下，使電磁鐵的磁極間距和磁極截面盡可能小，永恒磁場達(dá)到20K0e以上，保證有足夠大的磁場強(qiáng)度飽和芯塊；(2)采用激勵線圈和檢測線圈為同一線圈的檢測裝置，簡化了現(xiàn)有的檢測裝置。本裝置對于燃料芯塊的6(1203含量測量精度高于0.3%，可信度為95%;能 夠區(qū)分燃料棒中0(1203含量相差1%的單個(gè)混料芯塊，可信度為95%。 同時(shí)，單根核燃料棒的檢測速度大于4000mm/min。檢測系統(tǒng)工作穩(wěn) 定、操作方便、維護(hù)簡單、價(jià)格低廉。

圖l為探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為磁飽和裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為核燃料元件中氧化釓(Gd203)電磁感應(yīng)檢測裝置的局部結(jié) 構(gòu)示意圖。 圖中
l.檢測線圈；2.比較線圈；3.探頭殼體；4.接線柱；5.磁軛；6. 鐵芯(磁極)；7.線包；8.螺栓；9.鋯管；10.燃料棒。
具體實(shí)施方式
探頭的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。其主要由檢測線圈l、比較線圈2和殼體3構(gòu)成，檢測線圈1和比較線圈2的內(nèi)部為通孔，兩線圈 參數(shù)完全相同，其參數(shù)為(1)漆包線線徑0.1mm 1.0mm; (2)線 圈內(nèi)徑9.5mm 14mm; (3)線圈寬度3mm 13mm; (4)線圈匝數(shù)50 500。檢測線圈1和比較線圈2以探頭殼體水平中心線為對稱軸對稱 安裝，檢測線圈1和比較線圈2兩線圈的間距大于10mm，兩線圈之 間保持一定距離，避免線圈之間產(chǎn)生互感現(xiàn)象；檢測線圈l和比較線 圈2距離其通孔所對應(yīng)探頭殼體3邊緣的距離大于10mm，兩線圈與 其通孔所對應(yīng)的探頭殼體3的邊緣應(yīng)保持一定的距離，避免探頭安裝 在磁極間后，磁極對其產(chǎn)生干擾。檢測線圈1和比較線圈2兩線圈信 號的輸入輸出端與一個(gè)三芯接線相連，并連接到探頭殼體3下面設(shè)置 的接線柱4上。磁飽和裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。磁飽和裝置采用的電磁 鐵，由磁軛5、鐵芯6和線包7等組成。磁軛5外框架上設(shè)置兩組線 包7 ，兩組線包7并聯(lián)連接，由直流電源供電，直流電壓波動小于 0.5%。鐵芯6為軸向穿孔的錐體形狀，其鐵芯6的軸向穿孔直徑為① 10mm ①15nnn，當(dāng)燃料棒通過磁場時(shí)不受磁場力作用，可以消除大磁 場給燃料棒傳輸帶來的影響。電磁鐵的兩磁極6截面直徑為①20mm On00mm，用于提高磁極間的磁場強(qiáng)度。鐵芯6兩小頭端相對設(shè)置在
磁軛5內(nèi)框架上。磁極6的尾部與螺栓8連接，螺栓8可以調(diào)節(jié)磁極 6間距來固定探頭，磁極6間距調(diào)節(jié)范圍0mm 200mm，簡化了探頭的 固定裝置，同時(shí)也使探頭的安裝和更換更為簡單。核燃料元件中氧化釓(GdA)電磁感應(yīng)檢測裝置的局部結(jié)構(gòu)示意 圖，如圖3所示。安裝時(shí)將探頭放置在磁飽和裝置的兩磁極6中間， 且探頭的檢測線圈1與磁極6軸向通孔同軸，借助于螺栓8調(diào)節(jié)兩磁 極6間的間距，用兩磁極6的壓力將探頭固定。使用時(shí)，將磁飽和裝置的線包7通上直流電、電流范圍為 0 100A ，在磁飽和裝置的兩鐵芯6的磁極間便產(chǎn)生一穩(wěn)恒磁場(N —S)，由于鐵芯6的磁極截面大于檢測線圈1的外徑，穩(wěn)恒磁場將整 個(gè)檢測線圈覆蓋。檢測時(shí)，先將兩線圈中分別放入一段與待檢測核 燃料元件棒包殼材質(zhì)和尺寸(內(nèi)外徑和壁厚)完全相同的鋯管9 (抵 消檢測線圈對鋯管的信號，消除檢測時(shí)鋯管影響)。當(dāng)檢測線圈1和 比較線圈2加上完全相同的激勵信號時(shí)(頻率范圍3KHz 30KHz)， 兩線圈處于平衡狀態(tài)，調(diào)節(jié)電路使輸出信號為零。取出檢測線圈1內(nèi) 的鋯管9，把含Gd燃料棒10勻速送入進(jìn)行檢測(鋯管信號仍然抵消， 不平衡信號主要由Gd引起)，檢測線圈1與比較線圈2之間便輸出 一個(gè)不平衡的電壓信號。通過制作輸出的不平衡信號幅度與Gd含量 的標(biāo)準(zhǔn)曲線，當(dāng)測量出這個(gè)不平衡信號幅度后，便可以得出Gd的含
權(quán)利要求1.一種核燃料元件中氧化釓(Gd2O3)電磁感應(yīng)檢測裝置，包括檢測線圈(1)和比較線圈(2)，其特征在于在探頭殼體(3)內(nèi)、以水平中心線為對稱軸對稱設(shè)置兩個(gè)參數(shù)相同的檢測線圈(1)和比較線圈(2)，磁飽和裝置采用電磁鐵，探頭的檢測線圈(1)設(shè)置在磁飽和裝置的鐵芯(6)中間，且探頭的檢測線圈(1)與鐵芯(6)軸向通孔同軸，檢測時(shí)燃料棒從通孔中穿過。
2. 如權(quán)利要求1所述的核燃料元件中氧化釓(Gd203)電磁感應(yīng)檢 測裝置，其特征在于鐵芯(6)的兩磁極截面直徑為①20mm ①100mm。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的核燃料元件中氧化釓(GdA)電磁感 應(yīng)檢測裝置，其特征在于鐵芯(6)的磁極間距范圍0mm 200mm。
4. 如權(quán)利要求1所述的核燃料元件中氧化釓(Gd203)電磁感應(yīng)檢 測裝置，其特征在于探頭內(nèi)檢測線圈(1)和比較線圈(2)兩線圈的 間距大于lOmm。
5. 如權(quán)利要求1所述的核燃料元件中氧化釓(Gd203)電磁感應(yīng)檢 測裝置，其特征在于探頭內(nèi)檢測線圈(1)和比較線圈(2)距離其通 孔所對應(yīng)探頭殼體(3)邊緣的距離大于lOmm。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的核燃料元件中氧化釓(Gd203)電磁感 應(yīng)檢測裝置，其特征在于鐵芯(6)的尾部與螺栓(8)連接，螺栓(8) 可以調(diào)節(jié)鐵芯(6)的磁極間距來固定探頭。
7. 如權(quán)利要求1所述的核燃料元件中氧化釓(GdA)電磁感應(yīng)檢 測裝置，其特征在于檢測線圈(1)和比較線圈(2)的兩線圈參數(shù)完全相同，其參數(shù)為漆包線線徑0. lmm 1.0mm;線圈內(nèi)徑9. 5mm 14mm;線圈寬度3mm 13mm;線圈匪數(shù)50 500。
8. 如權(quán)利要求1或2所述的核燃料元件中氧化釓(Gd203)電磁感 應(yīng)檢測裝置，其特征在于其中磁飽和裝置包括磁軛(5)、鐵芯(6) 和線包(7)，磁軛(5)內(nèi)設(shè)置兩鐵芯(6)和兩組線包(7)，兩組線 包(7)并聯(lián)連接，鐵芯(6)位于線包(7)內(nèi)。
9. 如權(quán)利要求1所述的核燃料元件中氧化釓(GdA)電磁感應(yīng) 檢測裝置，其特征在于磁飽和裝置的線包(7)通上直流電、電流范 圍為0 100A 。
10. 如權(quán)利要求1所述的核燃料元件中氧化釓(GdA)電磁感應(yīng) 檢測裝置，其特征在于檢測線圈(1)和比較線圈(2)加上頻率范圍 3KHz 30KHz完全相同的激勵信號。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種核燃料元件中氧化釓(Gd₂O₃)電磁感應(yīng)檢測裝置，在探頭殼體內(nèi)、以水平中心線為對稱軸對稱設(shè)置兩個(gè)參數(shù)相同的檢測線圈和比較線圈，磁飽和裝置采用電磁鐵，探頭的檢測線圈設(shè)置在磁飽和裝置的鐵芯中間，且探頭的檢測線圈與鐵芯軸向通孔同軸，檢測時(shí)燃料棒從通孔中穿過。磁飽和裝置采用電磁鐵，永恒磁場達(dá)到20KOe以上，激勵線圈和檢測線圈為同一線圈的檢測裝置，簡化了現(xiàn)有的檢測裝置。本裝置對于燃料芯塊的Gd₂O₃含量測量精度高于0.3％，可信度為95％；能夠區(qū)分燃料棒中Gd₂O₃含量相差1％的單個(gè)混料芯塊，可信度為95％。檢測系統(tǒng)工作穩(wěn)定、操作方便、維護(hù)簡單、價(jià)格低廉。
文檔編號G01N27/72GK201017696SQ200620160619
公開日2008年2月6日 申請日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者明 劉, 平 袁, 鄧景珊 申請人:核工業(yè)第五研究設(shè)計(jì)院