高能X射线CT技术在辐照后核燃料组件检测中的发展及应用

李建伟，何高魁，张向阳，谢 乔，肖 丹，唐利华

(1.中国原子能科学研究院，北京 102413；2.中国辐射防护研究院，山西 太原 030006)

反应堆运行过程中，燃料组件在高温、高压、强中子辐射场等复杂环境下，燃料棒中燃料芯块会发生畸变和肿胀，引起包壳管径向和轴向变形，严重时可能导致包壳管破裂，这些现象会严重威胁反应堆的安全运行。为了研究反应堆燃料组件的安全性和完整性，了解其热力学性能和机械性能，必须定期对辐照后燃料组件进行检测，以便燃料设计人员，燃料制造人员和反应堆操作人员根据检查结果对燃料组件的相关性能进行分析和改进[1]。辐照后燃料组件检测技术通常分为破坏性检测技术和非破坏性检测技术(无损检测技术)。无损检测技术可以在不破坏燃料组件的前提下原位测量组件的结构及成分变化信息等[2]，是辐照后燃料组件检测的重要手段。用于核电站辐照后燃料元件检测的主要无损检测技术有超声波测量、涡流测量、射线照相测试、声学技术等，这些技术虽能判断燃料组件中燃料棒是否存在破损或缺陷，但检测精度相对较差，无法满足高精度缺陷检测的要求[3-4]。基于直线加速器的高能X射线工业CT具有穿透力强、缺陷检测灵敏度高等优点，可以满足大型复杂结构检测的需要，利用图像可视化可以获得被检物品定量、三维的信息，从而能够定位和确定被检物品缺陷的大小，目前已被广泛应用于高速铁路、大型飞机、运载火箭等领域几何尺寸较大、密度较高、具有较高价值的工件检测中[5-7]。但与其他大型工件相比，辐照后燃料组件由于具有等效钢厚大、自身具有强放射性等特点，无法利用常规的高能工业X射线CT进行检测。从上世纪90年代至今，日本对高能X射线CT技术在辐照后燃料组件检测方面进行了大量的研究工作，并于 21世纪初研制出世界上首台用于快中子增殖反应堆辐照后燃料组件检测的高能X射线CT装置，之后多次对装置的硬件和软件进行升级，拍摄出了世界上最高分辨率的燃料组件X射线CT图像[2-3]，并借助各种图像分析手段分析燃料棒及燃料组件的热性能、机械性能等，同时日本也是目前唯一将高能X射线CT技术应用于反应堆燃料组件现场检测的国家[8-17]。与破坏性辐照后检测和无损检测技术相比，将高能X射线CT技术应用于辐照后燃料组件检测中，具有在短时间内获取大量辐照后检测数据、降低辐照后检测成本、减少放射性废物产生量、物理保护核材料等优点。目前我国可实现入堆前、后的单根燃料棒的二维数字成像检测，但还没有能够对燃料组件进行整体检测的高能X射线检测装置。中国原子能科学研究院目前正在进行相关方面的研究工作，但尚未形成商业化产品[1]。本文对日本近几十年来的相关研究成果进行介绍与分析讨论，希望能为今后相关研究工作提供参考。

1 高能X射线CT装置组成及工作原理

图1 X射线CT装置原理示意图[21]

X射线CT装置一般由X射线源、X射线探测器、准直器、机械扫描系统、计算机系统(硬件及软件)及其他辅助系统等组成。图1为日本“JOYO”快中子反应堆内安装的高能X射线CT装置原理示意图，该装置使用12 MeV电子加速器作为X射线源，X射线探测器为圆弧形线阵探测器(由若干个像素紧密排列连接而成)。装置的扫描方式为只旋转(RO)扫描。

装置工作时，燃料组件被竖直固定在X射线源与X射线探测器之间，X射线源、准直器及X射线探测器均位于预扫描的燃料组件径向截面位置处，X射线经前准直器准直成扇形束后穿透燃料组件，被对面的X射线探测器接收，X射线的不同衰减程度反映了燃料组件的内部信息。燃料组件与探测器之间的后准直器用于降低探测器像素之间的串扰率以及保护探测器少受辐照后燃料组件自身γ射线的影响。准直器一般由铅、钨等重金属材料制成。传统后准直器通常由水平准直器和垂直准直器组成。水平准直器位于重建图像的平面内，其准直缝宽度决定了被检物体的切片厚度。垂直准直器位于重建图像的垂直平面内，其上切有一组准直缝，准直缝数目与探测器像素数目相同并一一对应，准直缝越窄，重建图像的空间分辨率越高。探测器接收的信号经模/数转换成数字信号后发送给计算机。在RO扫描过程中，计算机系统控制机械扫描系统使X射线源、准直器和探测器旋转以获得成像所需多个角度的完整投影数据。计算机软件系统负责对所获数据进行处理、重建得到二维CT图像。燃料组件二维CT图像示意图如图1右下角小图所示。

2 日本高能X射线CT装置

21世纪初，日本O-arai研发中心研发出用于快中子反应堆辐照后燃料组件无损检测的高能X射线CT系统，并将其安装于“JOYO”快中子试验堆大洗工程中心，该系统剖视图示于图2[8]。整个系统的操作和控制均在热室中进行，热室位于 CT测试间上层，可以保护工作人员不受强辐射的伤害。

系统检测时，通过升降机将燃料组件吊入圆柱形金属导管后使燃料组件顺着导管方向下降到预扫描的燃料组件径向截面位置处。加速器发射的脉冲X射线照射燃料组件，穿透燃料组件的扇形X射线束被宽0.3 mm、长2 mm、深230 mm的后准直器分割成30个通道，然后由相应的CdWO4闪烁体探测器测量每个通道的X射线强度。X射线源系统、准直器和探测器可以在扫描装置的作用下围绕导管水平旋转。该系统的所有子系统均由热室内计算机控制，可在任意截面上拍摄燃料组件的CT图像，20 min内即可获得1张CT图像。在此之后，为了获得更高分辨率的图像，对系统进行了多次升级，升级前后系统硬件变化列于表1[9]。

图2 高能X射线CT系统剖视图[8]

表1 X射线CT装置升级前后系统硬件对比表

首先将X射线束的形状由圆形改为椭圆形，可以获得尽可能平行的X射线束，使X射线束的形状更为接近准直器准直缝的形状，从而提高X射线的利用率。之后，将准直器的准直缝宽度由0.3 mm减小为0.1 mm，使CT图像的一个像素尺寸从0.3 mm×0.3 mm减小为0.1 mm×0.1 mm，使CT的图像分辨率提高。最后，将X射线探测器由CdWO4闪烁体探测器改为硅半导体探测器，硅半导体探测器具有比CdWO4闪烁体探测器更高的探测灵敏度，探测器的厚度从3 mm减至1 mm，使探测器的探测通道数从30个增加为100个。升级后装置获得的CT图像分辨率从1 024×1 024增加至4 700×4 700。文献[8]中使用尺寸已知的模拟燃料组件对升级前、后系统的成像效果进行了对比，系统升级前、后在模拟燃料组件同一径向截面下拍摄的X射线CT图像示于图3。从图3中可以看出，升级后装置获得的X射线CT图像比升级前清晰，可以更加明显区分出直径0.3 mm的人为孔洞和燃料棒与外套管之间的间隙。

a——系统升级前；b——系统升级后

对比升级前、后系统的硬件参数发现，系统的空间分辨率主要取决于射线源焦点尺寸、探测器类型、探测器孔径、探测器数量、机械系统的精度等。在设计系统前，必须综合考虑这些参数，以使系统能达到最理想的检测效果。

3 X射线CT技术在燃料组件检测分析中的应用

3.1 燃料组件样品

“JOYO”快中子试验堆中使用的燃料组件及其燃料棒外观示于图4。燃料组件是由127根燃料棒组成的燃料棒束和一个六角形外套管组成，组件内燃料棒采用正三角形矩阵排列，螺旋形金属绕丝将燃料棒互相隔开，形成冷却剂流道。

a——燃料棒；b——燃料组件

燃料组件的主要规格参数列于表2。燃料棒中的燃料芯块是直径为4.63 mm、高为5 mm的铀、钚混合氧化物(MOX)燃料。燃料棒的长度为1 533 mm，燃料组件外管套及燃料棒包壳均为不锈钢材料，燃料棒中MOX燃料芯块的总长度为550 mm，部分空间放置贫化UO2燃料芯块，剩余部分为裂变气室储存腔室。相邻燃料棒之间用金属绕丝维持间隙，金属绕丝被绕在每根燃料棒表面，绕丝的两头分别固定在燃料棒的上下端塞上。

表2 燃料组件主要规格参数表

3.2 外套管形变检测

图5 外套管平行面间距离随管面相对位置的变化曲线[11]

燃料组件外套管是反应堆堆芯中最重要的部件。在堆芯辐照环境中， 多种因素会引起套管的形变：如冷却剂压差引起的外套管形变，高温热膨胀引起的外套管形变，高中子通量造成材料辐照损伤引起的外套管形变等。通过对燃料组件外套管进行形变检测、分析，可为堆芯结构、物理等方面的分析设计提供输入参数和安全评估依据[20]。为了观察辐照过程中燃料组件的外套管形变情况，文献[11]利用检测装置在距燃料组件最底端1 540.8 mm处获得燃料组件的径向截面图像，对截面图像测量后绘制出燃料组件外套管在该高度处平行管面(图5中燃料组件六角形外套管A管面和D管面)之间距离随管面相对位置(将燃料组件六角形外套管A管面或D管面相对位置范围定义为0～40 mm)的变化曲线，如图5所示，图中所标尺寸均为被检燃料组件样品的等比例缩放尺寸。

由图5可以看出，辐照后燃料组件外套管管面从两端到中间处逐渐向外鼓起，两端位置未发生变化。而如果外套管是因受热发生膨胀，则外套管两端位置也应变化。由此分析，外套管变形并非是辐照过程中受热膨胀引起，而是由外套管内外两侧冷却剂压力差引起的蠕变。

3.3 燃料棒移位与形变检测

图6 辐照后燃料组件中各燃料棒水平方向上的移位示意图[11]

在辐照或径向流作用下，燃料组件中的燃料棒可能发生移位和形变，这些变化会影响冷却剂的流动特性。为了深入研究燃料棒移位对冷却剂流动的影响，燃料棒之间的子通道区域(即冷却剂流动的通道)需被确定。为此，必须首先准确确定燃料组件中每根燃料棒的移位和形变程度。文献[11]利用检测装置在距辐照后燃料组件底部1 749.8 mm高度处获得燃料组件的径向截面图像，通过与辐照前燃料组件及其燃料棒的原始位置进行对比，绘制出辐照后燃料组件中各燃料棒的移位示意图示于图6，图中由各燃料棒中心起始绘制的黑线方向和长度分别表示相应燃料棒位移的方向和距离。从图6中可以看出，燃料组件中紧邻外套管的几列燃料棒普遍向外偏移，特别是紧邻外套管A、B、C和F管面的燃料棒移动较为明显，这种棒位移的不均匀分布归因于金属绕丝的影响，紧邻D、E管面的燃料棒向外移位恰好被金属绕丝阻止。

为了进一步研究金属绕丝对燃料棒形变的影响，利用检测装置沿燃料组件轴向等间隔拍摄一系列二维径向截面图像，并以此为基础绘制燃料组件中一对角线上分布的三根燃料棒各自在轴向上的形变曲线，如图7所示，图中左上角小图给出“a”、“b”、“c”三根燃料棒在燃料组件中的相对位置。由图7可见，金属绕丝所在位置处燃料棒的移位比较明显，说明金属绕丝张力是造成燃料棒移位的一个重要原因。

图7 辐照后燃料棒在轴向上的形变曲线[11]

3.4 燃料芯块中心空洞检测

燃料组件在辐照过程中，燃料棒中燃料芯块的径向温度梯度较大，受此影响，分布在燃料芯块内的气孔开始向中心移动，导致中心空洞的形成，并在芯块上留下柱状纹理，观察中心空洞的直径有助于分析燃料组件的温度分布。

文献[8]利用检测装置在距燃料组件底部275 mm的轴向位置处获得辐照后燃料组件的径向截面图像，如图8a所示，为了观察更为细致的结构，以最高线性加热速率辐照后的中心燃料棒为例，可对其径向截面图像进行放大，如图8b所示。图中可以更加清晰的区分金属绕线、包壳、芯块和中心空洞等。在X射线CT检查后拆卸燃料组件，切割上述中心燃料棒并对其切面进行金相分析(图8c)。对两种方法获得的燃料棒中心空洞直径进行测量，测量结果表明，X射线CT测量的中心空洞直径与金相学测量的中心空洞直径仅相差0.05 mm，说明X射线CT技术和金相学方法成像效果相差不大，但与金相学方法相比，X射线CT成像技术明显省时省力。

此外，X射线CT技术与金相学方法相比，能更精确地评估辐照后燃料芯块中的密度的径向分布。在X射线CT评价中，可根据密度与CT值的关系，绘制辐照后燃料芯块的密度分布图，示于图9[8]。图中可以看出，燃料棒中心空洞周围区域的密度高于外部区域的密度，低密度区域同心分布在高密度区域周围。

3.5 燃料组件的三维成像分析

利用检测装置沿轴向等间隔拍摄一系列燃料组件二维CT图像，并通过三维重建算法将这些二维CT图像合成为燃料组件的三维CT图像。借助三维CT图像可以从任何角度清楚地观察燃料组件的内部和外部结构，使分析燃料棒的形变、微观结构变化以及燃料组件异常等问题变得简单。其中，三维CT图像的轴向空间分辨率很大程度上取决于二维CT图像的取样间隔。燃料组件轴向中心区域的中子注量最大，燃耗最深。因此在研究燃料性能时，轴向中心区域最需要关注。文献[15]在燃料组件轴向中心±5 mm的范围内以1 mm为间隔分别拍摄10幅二维径向CT图像，合成为三种不同的三维CT图像，示于图10。 图10(a)和图10(b)是将燃料组件沿轴向切成几乎相等的两半后，呈现的其中一半燃料组件的三维CT图像。图10(a)是留有燃料棒包壳和外套管的燃料组件的三维CT图像，可以观察包壳外表面情况。图10(b)是去掉包壳和外套管，只留有燃料芯块的燃料组件的三维CT图像，可以观察燃料芯块的表面情况。图10(c)是将燃料组件沿轴向切成相等的两半后，呈现其中一半燃料组件的三维CT图像(去掉包壳和外套管)，燃料芯块中心空洞清晰可见，通过中心空洞的大小可以估计燃料棒辐照的温度。另外，通过三维CT图像可以更方便的检测燃料棒的变形、棒-管相互作用等。

a——燃料组件X射线CT图像；b——特定燃料棒的X射线CT放大图像；c——特定燃料棒的金相图像

图9 通过分析X射线CT图像得到的燃料芯块密度分布[8]

图10 辐照后燃料组件的三维CT图像[15]

4 结论与讨论

文中介绍了由日本原子能机构开发的辐照后燃料组件高能X射线CT检测装置的工作原理、研究现状、应用实例等。使用这种高分辨率X射线CT技术可以在辐照后燃料组件的截面上获得清晰的二维CT图像，能清楚地观察燃料组件的外套管、金属绕线、包壳、燃料芯块和中心空洞等。由此可间接评估燃料芯块中心空洞直径、燃料棒的形变、照射后芯块密度径向分布等情况。另外，可以通过组合多个二维图像来获得三维图像，实现在不拆卸燃料组件的情况下更加直观地分析燃料组件及其燃料棒的热性能和机械性能等。

在实际设计辐照后燃料组件高能X射线CT检测装置过程中，要使装置成像质量达到理想效果，以下关键技术问题应该有效解决或优化。

(1) 辐照后燃料组件自身具有强的辐射，在保证防护良好的前提下尽量选用束流强度较大的加速器，并使加速器工作在脉冲状态下，探测器与加速器同步开关，这样能使燃料组件自身辐射的影响大大减弱。其中，加速器脉冲频率与脉冲宽度设置合适与否是影响装置信噪比好坏的一个重要因素，必须尽可能优化。

(2) 高能X射线CT装置采用的射线源为加速器，加速器发射的X射线能谱具有多色性，这种连续能谱的X射线会引起衰变过程中的能谱硬化，导致各种与硬化相关的伪像[18]。为此，有必要设计专用的射线过滤器使到达探测器的射线强度变得均匀。然而射线过滤器会造成射线强度减弱，对测量非常不利，在设计时应折中考虑各个方面的影响。

(3) 高能X射线探测装置通常选用闪烁体晶体阵列探测器作为探测系统的关键部件，相邻闪烁体晶体排列紧密，单个晶体仅有数毫米厚，且电子加速器产生的X射线能量较高。在测量X射线时，相邻探测单元之间容易产生串扰。传统后准直器可以减小部分串扰，但燃料组件活性区比较长，其辐射出的一部分光子可以不经过后准直器而直接进入探测器，从而产生很大的噪声信号。因此，需要对后准直器进行优化设计，减弱燃料组件自身辐射带来的影响。可以参考文献[1]对后准直器进行优化，使燃料组件自身辐射的γ射线尽可能少的进入探测器，以进一步降低燃料组件自身辐射的干扰。另外，为了进一步降低相邻探测单元之间的射线串扰可以考虑在各相邻闪烁体之间设置采用重金属制作的隔离层。隔离层设计同样也是CT装置设计的一项关键技术。

(4) 传统CT 图像重建算法是基于单能射线提出，而加速器通过轫致辐射产生的X射线是多能量的射束，采用探测系统采集到的多色投影数据进行图像重建易产生杯状伪影和条状伪影[19]，使图像质量降低，影响CT值的标定，从而影响燃料组件的诊断。研究及优化能够尽可能降低图像伪影的校正算法也是需要解决的问题。