УДК 550.34 + 622.831
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ВНЕШНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ОБОЛОЧКИ ТВЭЛ РЕАКТОРА БН-8001
SYSTEM FOR INSPECTION OF MECHANICAL DAMAGES OF FUEL ELEMENTS SURFACE FOR BN-800 REACTOR
Сысоев Евгений Владимирович
канд. техн. наук, вед. научн. сотрудник Е-mail: evsml@mail.ru
Выхристюк Игнат Александрович
зав. лабораторией Е-mail: uic@ngs.ru
Куликов Родион Владимирович
мл. научн. сотрудник Е-mail: rstalcker@ngs.ru
Поташников Анатолий Кириллович
канд. техн. наук, гл. научн. сотрудник Е-mail: potash@tdisie.nsc.ru
Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, г. Новосибирск
Аннотация: Представлена разработанная в КТИ НП СО РАН автоматизированная оптоэлектронная система "Профиль-Т", предназначенная для контроля поверхностных дефектов оболочки ТВЭЛ реакторов типа БН-800. Рассмотрены структура измерительной системы, состав, особенности конструкции и программное обеспечение. Приведены технические характеристики системы.
Ключевые слова: система контроля дефектов поверхности ТВЭЛ, бесконтактное автоматическое измерение, МОКС-топ-ливо, интерферометр, профилометр.
Sysoev Evgeny V.
Ph. D. (Tech.), Senior Researcher Е-mail: evsml@mail.ru
Vykhristuk Ignat A.
Head of Laboratoty Е-mail: uic@ngs.ru
Kulikov Rodion V.
Associate Scientist Е-mail: rstalcker@ngs.ru
Potashnikov Anatoly K.
Ph. D. (Tech.), Chief Scientific Officer Е-mail: potash@tdisie.nsc.ru
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering, Siberian Branch of the RAS, Novosibirsk city
Abstract: The automated optoelectronic system "Profile-T" intended for inspection of fuel element surface defects for BN-800 reactors is presented. The measurement system structure, composition, design features and software are considered. Technical characteristics of the system are shown.
Keywords: Inspection system of fuel element surface defects, non-contact automatic measurement, MOX fuel, interferometer, pro-filometer.
ВВЕДЕНИЕ
Анализ современных мировых тенденций развития атомной энергетики показывает, что большие надежды возлагаются на развитие реакторной техники на быстрых нейтронах и топливных элементов с таблеточным или виброуплотненным МОКС-топливом (смешанное оксидное уран-плутониевое топливо). Высокая радиоактивность МОКС-топлива (удельная активность плутония в 200 000 раз больше, чем у природного урана) и требования безопасности приводят к необходимости полной автоматизации процесса производства топлив-
1 В работе частично использованы результаты, полученные при выполнении проекта Федеральной целевой программы № 14.604.21.0086.
ных элементов для реакторов типа БН, в том числе и контроля их качества (в частности, контроля дефектов поверхности).
В настоящее время отсутствуют готовые решения, которые можно использовать при создании системы автоматического обнаружения и измерения дефектов поверхности оболочки полностью снаряженных радиационно-опасных тепловыделяющих элементов, предназначенных для работы в реакторах на быстрых нейтронах. Широко используемые токовихревые методы обнаружения дефектов поверхности оболочки не пригодны для решения данной задачи в силу конструктивных особенностей перспективных ТВЭЛ. Поэтому необходимо искать новые подходы к решению пробле-
мы, так как надежный контроль отсутствия дефектов поверхности обеспечивает надежность и безопасность работы изделий.
В статье представлена разработанная в КТИ НП СО РАН оптоэлектронная система "Профиль-Т", позволяющая выполнять полуавтоматический контроль дефектов на поверхности оболочки ТВЭЛ с МОКС-топливом в специальных боксах.
СОСТАВ И СТРУКТУРА СИСТЕМЫ
Функционально система состоит из механизма перемещения ТВЭЛ и двух подсистем: осмотра поверхности и автоматического измерения геометрических параметров дефекта. Каждая из подсистем устанавливается на отдельной фиксиро-
Блок осмотра
Блок электронный 1
Рис. 1. Структурная схема системы "Профиль-Т"
4- 4
5 6
--ГТ2
Г-С"1
а)
А
I
А
б)
Рис. 2. Оптическая схема интерферометра (а) и дефект в зоне измерения (б):
1 — источник света; 2 — коллимирующий объектив; 3 — светоделитель; 4, 11 — отражательные призмы; 5, 7 — микрообъективы; 6 — объект измерения; 8 — опорное зеркало; 9 — пьезокерамический актюатор; 10 — тубусная линза; 12 — ПЗС-камера; 13 — радиационная защита
7
ванной позиции под механизмом перемещения ТВЭЛ внутри бокса, закрытого от случайного попадания персонала. Блоки электроники, компьютер и пульт оператора вынесены за пределы бокса в отдельное помещение. Структурная схема системы "Профиль-Т" (без механизма перемещения) приведена на рис. 1.
Подсистема осмотра имеет: четыре цифровые видеокамеры с дополнительной защитой от ионизирующего излучения, два осветителя, два видеограббера, которые установлены в управляющий компьютер, блок электроники с источником питания и двумя контроллерами управления, обеспечивающими синхронную работу осветителей и видеокамер. Подсветка объекта контроля устроена таким образом, что снимки поверхности ТВЭЛ можно получать в отраженном или рассеянном свете. Такое решение дает возможность оператору выбрать наиболее приемлемый (информативный) режим наблюдения.
Подсистема автоматического измерения геометрических параметров дефекта поверхности ТВЭЛ включает в себя: оптико-механический блок, блок электронный 2, содержащий контроллер управления оптико-механическим блоком и источник питания; видеограббер 3 и контроллер управления микрометрическим столом, установленные в управляющий компьютер.
Оптико-механический блок, представляющий собой сканирующий интерферометр белого света, выполненный по схеме Линника [1], имеет в своем составе необходимые оптические элементы, осветитель, фазовый модулятор, видеокамеру, преобразователь линейных перемещений и моторизованный одноосный микрометрический стол, на котором установлен интерферометр. Оптическая схема интерферометра приведена на рис. 2, а. Все узлы блока установлены на массивное основание и объединены в оп-тоэлектронный модуль интерферометра с помощью конструкционных элементов.
Принцип работы подсистемы заключается в получении и после-
дующей обработке дифференциальных интерферограмм [2, 3]. Дифференциальная интерферограмма (ДИ) 1(х, у, г) представляет собой разность двух интерферограмм, сдвинутых по фазе на п/2.
Измерение геометрических параметров дефекта выполняется посредством сканирования объекта по глубине с заданным шагом (рис. 2, б). При сканировании осуществляется перемещение интерферометра относительно неподвижного ТВЭЛ.
Контроль положения интерферометра в процессе сканирования выполняется при помощи оптической линейки с разрешением 0,1 мкм.
В процессе сканирования для каждого г-го положения блока интерферометра ц регистрируются две сдвинутых по фазе интерфе-рограммы, которые используются для обнаружения зон интерференции и расчета рельефа поверхности. Для каждой измеряемой точки поверхности (х, у) может рассчиты-
ваться n(x, y) e {0, 1, 2, ...} значений [I(x, y, z)] таких, что |I(x, y, z/)| > Ip, где Ip — пороговое значение I(x, y), превышающее шум. Поскольку фоновый тренд, связанный с неравномерностью среднего значения интенсивности света, в дифференциальных интерферограммах отсутствует, то уровень порога определяется исходя из максимального значения шумовой составляющей сигнала интерференции как величина, пропорциональная квантовому шуму светового потока I(x, y) в каждой точке интерферограммы [4, 5].
Затем накопленный массив измерительных данных обрабатывается, в результате чего измеренный 3D-рельеф представляется в виде двумерного массива высот:
Z(x, y) =
среднее значение z;, = ^ для которых |I(x, y, Z;)| > Ip,
если n (x, y) > 0;
неопределено, если n (x, y) = 0.
Этот массив дает возможность автоматически получить геометрические параметры дефекта поверхности.
При измерении производится сканирование в диапазоне -100 мкм с шагом менее 1 мкм и измеряются параметры дефекта с высокой точностью (погрешность не более ±2 мкм). Это приводит к необходимости накапливать (архивировать) большие массивы трехмерных данных.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Для управления системой "Про-филь-Т" создано оригинальное программное обеспечение, структурная схема которого представлена на рис. 3. Программное обеспечение ориентировано на платформу ОС Windows 7 x86.
В связи с большим количеством исходных данных и высокими требованиями к скорости измерения, а также в силу того, что обработка ДИ легко распараллеливается, вычисления были реализованы на графическом процессоре (GPU) с помощью технологии CUDA [6].
РЕЖИМЫ РАБОТЫ
Система имеет два режима работы: осмотра и измерения. В режиме осмотра ТВЭЛ перемещается вертикально при помощи сервоприводов. Поверхность ТВЭЛ контролируется четырьмя видеокамерами, изображение с которых поступает на мониторы и может отображаться несколькими способами по выбору оператора (см. рис. 3). Оператор также может выбрать режим освещения объекта исследования и коррекцию контраста выводимых изображений.
Зона осмотра каждой камеры — 9 х 6,7 мм, камеры расположены так, чтобы давать круговой обзор поверхности ТВЭЛ. Полный осмотр ТВЭЛ осуществляется методом механического сканирования. При необходимости оператор может оста-
новить перемещение и в ручном режиме дистанционно управлять перемещением и вращением ТВЭЛ.
На рис. 4 в качестве примера приведены изображения участка поверхности ТВЭЛ, полученные со всех видеокамер в рассеянном (а) и отраженном (б) свете.
Программное обеспечение позволяет обнаруживать и выделять дефекты в автоматическом режиме. Для повышения надежности и достоверности контроля оператор подтверждает, что выделенная область поверхности является дефектом. В случае обнаружения дефекта оператор обозначает его положение на изображении, полученном с одной из камер, и дает системе команду на измерение. При этом система останавливает все перемещения, определяет величину изменения ко-
Управление внешними
устройствами Интерфейсные модули Алгоритмы
L _ __ _ __ _ __ _ J L____ _ _____J L_ _ __ _ __ _ __J
Рис. 3. Структурная схема программного обеспечения сист
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.