中子照相技术应用于锆合金包壳氢含量分析的初步研究

刘晓光，汤　琪，贺林峰，王华才，李玉庆，武梅梅，孙　凯，焦学胜，魏国海，陈东风,*

中子照相技术应用于锆合金包壳氢含量分析的初步研究

刘晓光1,2，汤琪1，贺林峰1，王华才1，李玉庆1，武梅梅1，孙凯1，焦学胜1，魏国海1，陈东风1,*

（1. 中国原子能科学研究院，北京 102413；2. 中国核工业集团有限公司，北京 100045）

燃料棒锆合金包壳机械性能受氢含量的影响较大，由于中子与氢反应截面相对于锆合金基底要大得多，因此中子照相技术在锆合金氢含量定量分析中具有潜在应用价值。为将中子照相技术应用于锆合金含氢量定量分析中，本研究通过气相渗氢工艺获得具有不同氢含量的低锡Zr-4合金，并利用中国先进研究堆中子成像测试平台对样品进行中子成像，经过数据处理，获得了低锡Zr-4合金氢含量-灰度的定量关系，为中子照相技术应用于燃料棒包壳氢含量分析奠定了基础。

气相渗氢；中子照相；锆合金；氢含量

在反应堆运行过程中，核燃料元件包壳与冷却剂水腐蚀产生的氢被包壳吸收，当超过包壳的吸氢能力时，氢析出形成氢化物，氢化物的形成会导致包壳变脆，是导致燃料棒破损失效的重要因素。同时，冷却剂进入破损后的燃料棒内部后会发生二次氢化，从而加剧燃料棒的破损程度，影响反应堆的安全[1,2]。

目前，国内对于压水堆锆合金包壳氢含量的分析主要有两种方法：定氢仪分析法和金相分析法。

定氢仪分析法主要是将一小段燃料元件内部芯块去除后，取一小部分包壳样品在高温脉冲炉中气化后，通过氦气载带，将其中的氢气进入氧化剂氧化成H2O，并通过红外吸收光谱测量，通过测量H2O气体前后的强度变化，经已知氢含量标定样品标定曲线计算得到未知样品中的氢含量。

金相分析法是将切取的一小段含芯块或不含芯块的样品经磨光和抛光，再经蚀刻后获得锆合金包壳中氢化锆的分布，并经数据软件处理获得相应氢的含量。

不论是定氢仪分析法还是金相分析法，首先，都需要经过复杂的样品制备与处理，产生大量放射性废物；其次，两种方法都只能获得局部很小区域的样品中氢的含量，不能获得氢在包壳上的分布，如果要获得燃料棒各个区域包壳氢的含量则需要制备和分析大量的样品而变得不现实；最后，两种方法归根到底都是破坏性分析方法，所使用的样品只能进行氢含量的分析，而不能再用于进行力学等其他分析项目，对于样品本身是一种浪费。

由于H的中子反应截面比锆合金包壳中主要元素（Zr、Sn、Nb、Fe、Cr等）要高，在中子照相图像中可以很明显分辨出。因此使用中子照相技术则可无损检测氢在包壳中的位置、分布、形态等信息，通过校定还可以进行定量分析[3]。如图1所示，强度为0的中子束穿过锆合金包壳样品后，中子束强度衰减为。

图1　中子束穿过样品示意图

中子束的衰减满足指数衰减规律，有：

式中：∑——样品在点（，）处的宏观截面；

和N——锆合金组成元素的微观截面和原子密度；

——中子束穿透厚度。

含氢锆合金样品对中子束的衰减可视为两部分组成，一部分为氢引起的衰减，一部分为锆合金基底引起的。如果使用与所分析样品尺寸一致、组成一致、含有已知不同氢含量的标准样品，通过中子成像，就可建立图像灰度（用于表示中子束强度）与氢含量的关系，进而可以分析未知样品的氢含量，为分析燃料棒锆合金包壳中氢的含量提供了一种方法。

由于在核燃料棒检测中的优势，中子照相方法在国外核燃料棒检测中有着广泛的应用[4,5]。在破损燃料棒包壳氢化的研究上，德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员利用中子照相氢分析技术对大尺度的QUENCH-LOCA实验中发生严重失水事故后的反应堆燃料棒氢化的程度进行了深入的分析，认为目前中子成像技术是研究大尺寸模拟LOCA下燃料棒包壳二次氢化破损后氢的分布和含量唯一可以使用的技术，图2为二次氢化破口及利用中子照相所获得的其周围氢的分布[6]。

图2　QUENCH-LOCA实验中二次氢化破口及中子成像图像

瑞士Paul Scherrer研究院（PSI）对中子照相技术进行破损燃料元件氢含量分析技术进行了更为详细的研究，对于反应堆内取出的破损燃料元件包壳二次氢化情况进行研究，获得了包壳不同位置处氢浓度定量信息。研究结果显示破损位置的氢浓度为8 000×10-6，此结果与其他方法的检测结果十分吻合，说明中子照相方法定量测量包壳氢含量的可靠性[7]。

除此之外，国际上对于非放射性的模拟反应堆各种工况下吸氢的锆合金中子照相技术进行了充分的研究[8]，研究了氢含量、氧化膜、中子束、Be滤片、成像方式等对成像结果的影响，研究表明：

（1）由于H和Zr相差比较大的中子吸收截面，冷中子束相对于热中子束有更好的成像效果；

（2）使用气相渗氢法获得的不同氢含量锆合金样品中子成像结果表明，H/Zr原子比在1.0以下（H质量分数小于10 000×10-6），氢含量与其中子吸收截面呈线性变化，所获得的标定曲线可以用定量于分析未知氢含量样品；

（3）在H/Zr原子比小于1.0以下，不需要使用Be滤片，而更高的原子比则需要使用；

（4）由于模拟样品不具有放射性，只需要考虑图像的分辨率以及图像处理的方便性，相比较于中子转换屏+胶片或IP板的间接成像方式，使用NIP板或者CCD相机的直接成像方式在针对堆外模拟反应堆工况下研究的锆合金氢含量定量分析中使用较为广泛，目前使用两种方式分辨率一般可以达到25mm，对于氢含量的测量下线为20×10-6，并且CCD相机还可以开展更为准确的中子CT技术研究[9]；

（5）由于锆合金外表面腐蚀产生的氧化膜吸收截面远小于H，对比含有不同厚度氧化膜和不含氧化膜的吸氢锆合金的中子图像，表明氢含量成像分析可以不考虑或者通过校正予以去除。

总体而言，国外几大核材料研究机构已经从相对基础的探究原理性研究逐步向更深入的应用研究开展，中子照相技术在燃料棒包壳氢化分析中已经有了成熟的应用。

相比较来说，国内对于中子照相技术在核材料分析方面的研究才刚刚开始。在国家自然科学基金委青年科学基金等项目支持下，中国工程物理研究院和中国原子能科学研究院相关研究团队分别在中国绵阳研究堆（CMRR）和中国先进研究堆（CARR）中子照相装置开展了非放射性的锆合金氢含量中子成像无损定量分析和压水堆乏燃料元件三维中子照相无损检测方法研究。

中国工程物理研究院孙勇等[10]针对板状锆合金氢含量中子成像无损定量检测开展了理论分析和模拟计算研究，结果表明采用冷中子照相技术相对热中子照相技术可以获得更高的锆合金氢含量检测精度（冷中子数字照相定量检测误差可达±50×10-6（质量分数），热中子数字照相检测误差约±80×10-6（质量分数））；开发了白疵点校正图像处理技术，制备了0～900×10-6（质量分数）氢含量锆合金板状样品并开展了冷中子、热中子数字照相及NIP照相实验检测，最终该研究结果表明中子照相技术可以为锆合金氢脆现象机理研究提供重要检测手段。

中国原子能科学研究院魏国海等[11,12]开展了压水堆乏燃料元件三维中子照相无损检测方法研究，通过在核燃料元件模拟件的包壳外侧缠绕不同厚度的胶带（BOPP 薄膜，成分为丙烯酸酯，中子宏观截面较大）模拟元件包壳的吸氢，利用间接中子成像法进行了中子照相检测实验，并建立了胶带层数和灰度的标定曲线，可为真实核燃料元件的中子照相无损检测提供重要参考。

除上述研究外，国内尚未有利用中子照相技术针对反应堆燃料棒用管状锆合金包壳开展其氢含量分析的方法研究。

本研究拟通过气相渗氢工艺获得具有不同氢含量的低锡Zr-4合金，并利用中国先进研究堆中子成像测试平台对样品进行直接成像，经过数据处理，获得了低锡Zr-4合金氢含量-灰度标定曲线，为中子照相应用于燃料棒包壳氢含量分析奠定基础。

1　实验

1.1　实验装置

1.1.1中国先进研究堆中子成像测试系统

位于中国先进研究堆上的中子成像测试装置主要包括：中子源、中子导管、中子光路系统、探测成像系统，如图3所示。从CARR堆出来的热中子通过CNGB中子导管引入位于导管大厅中子成像测试系统，通过由中子闸门，中子光阑系统和限束系统组成的中子光路系统，以获得平行、均匀分布的中子束流；准直后的中子照射并透过测试样品，透射中子被转化为可探测信号后，由相机记录样品信息。中子光路系统是中子照相设备的核心组成部分，它直接决定中子照相的质量；透过样品的中子被中子转换屏捕捉，并转换成能够直接被检测的信号。中子转换屏中包含中子转化物质和荧光物质，其中中子转化物质吸收透过样品的中子产生其他粒子如a、b或g射线等，这些其他粒子使荧光物质发光产生可被检测的信号，最后被CCD相机捕捉，形成数字照片。

图3　CARR中子成像测试平台

CARR 运行功率30 MW，成像位置的中子束流尺寸为9 cm×16 cm、中子注量率为1.27×108 cm−1·s−1、中子束流的准直比（/）为141。

中子成像谱仪的探测器为Li6F/ZnS（Ag）闪烁屏，本次实验中采用的 CCD 相机系统为DW936 Ikon_L ANDOR，得到的图像空间分辨率约为80mm。

1.1.2气相渗氢系统

气相渗氢系统由加热炉、渗氢室、气体传输装置、测温系统四部分组成。

1.1.3金相分析装置

金相分析装置由磨样系统（包括斯特尔双盘磨样机和抛光机）和用于金相观察的徕卡DM2500M正置显微镜组成。

1.2　实验材料

实验选用的材料为国产低Sn Zr-4合金管，化学成分如表1所示，经冷加工获得规格为10 mm×0.7 mm×20 mm样品若干。

表1　锆合金的化学成分

1.3　实验方法

1.3.1气相渗氢

为定量分析燃料包壳中氢的含量，需往锆合金中渗入不同含量的氢，用于后期建立标定样品氢含量与中子图像灰度的曲线。气相渗氢相对于液相渗氢工艺简单，短时间内渗入的氢含量较大[13]，所有本研究拟采用高温定压气相渗氢方法，该方法利用氢气在分子流状态流过已知流导的真空元件进入试样室时，在其两端出现压差的现象，通过恒定一端压强，测量另一端随时间变化的压强值，据此计算出不同时间的吸氢量。用气相渗氢系统获得氢含量分别为50×10-6、100×10-6、200×10-6、400×10-6的锆合金样品，具体工艺流程如下：

（1）利用镍丝缠绕将样品固定于样品室；

（2）室温下充惰性气体，清洗样品室3～4遍；

（3）室温下采用机械泵、分子泵抽真空30 min（样品室真空度优于1×10-5Pa），采用感应加热，以5 ℃/min的升温速率加热样品至750 ℃，并继续抽真空1 h，使样品充分活化；

（4） 750 ℃保温，采用定压法进行渗氢操作，使样品分阶段缓慢吸氢至所需氢含量。每个阶段充入一定量的氢气，待样品吸氢平衡并稳定1 h后，记录并计算吸氢量变化；

（5）当累积吸氢量达到所需渗氢指标后，关闭氢源，并保温2 h，保证样品中氢扩散均匀；

（6）冷却至室温，取出样品。

1.3.2金相分析

渗氢后的试样按照GB/T 13298规定的方法制备金相试样。依次采用粗粒到细粒砂纸按序进行试样断面磨光，采用适当抛光织物抛光。使用浸蚀液（C3H6O3+HNO3+HF）浸蚀10～40 s，然后在显微镜下200×明场拍照。

1.3.3中子成像

中子成像实验步骤如下：

（1）在无样品状态下，通过开关中子束流分别获取暗场像（Dark image）和明场像（White image）各5张；

（2）将5个不同氢含量的燃料棒包壳样品按氢含量变化在竖直方向依次堆叠成一整体，并放置于样品台上且紧贴闪烁屏进行中子成像。上述每张中子图像的曝光时间均为40 s。

2　实验结果

2.1　金相分析

通过气相渗氢工艺所获得的不同氢含量的Zr-4合金其内部氢化物的分布如图4所示，从图中可以看出细小的氢化物呈均匀分布，并且随着渗氢量的增加，氢化物分布更加密集，因此，通过该方法所获得的渗氢锆合金能够满足中子照相的使用要求。

图4　不同氢含量锆合金氢化物分布

2.2　不同氢含量锆合金中子成像图像

中子穿透物体时，中子与原子核发生相互作用而使透射中子强度减小，因为不同材料对中子具有不同的衰减特性，所以透射中子束包含了样品内部成分和结构的信息。

使用ImageJ图像处理软件，对所获取的所有样品图像进行归一化处理。材料氢含量的准确表征取决于对中子图像的灰度值表达材料的反差能力，这就要求高的信噪比，主要来源于统计计数的泊松误差。首先将实验获得的暗场像组和明场像组及样品中子图像进行中值滤波处理，即基于多张相同的中子图像的像素灰度值取中位数，合并获取高质量中子图像；随后，根据以下方法对图像进行归一化处理，以去除中子束流/探测器响应不均匀对实验结果的干扰。

这些数值的大小直接与该像素点处对应的沿中子透射方向的氢的含量相对应，其值越小表明氢的含量越高。如图5所示，即为归一化处理后的中子成像图像。

2.3　氢含量-灰度标定曲线建立

在图5的中子成像图像上，分别沿图像的边沿同一厚度处，使用ImageJ图像处理软件在每一块锆合金上取直线，读取灰度平均值并记录。按照每块已知氢含量锆合金及读取的对应灰度平均值列表，如表2所示，利用表2中图像右边沿的灰度值做Zr-4合金氢含量—中子图像灰度标定曲线，如图6所示。

图5　不同氢含量锆合金中子成像图像

表2　不同氢含量锆合金中子图像灰度值

图6 Zr-4合金氢含量—中子图像灰度标定曲线

3　讨论

4　结论

本研究通过气相渗氢工艺获得具有不同氢含量的低锡Zr-4合金，并利用中国先进研究堆中子成像测试平台对样品进行中子成像，获得了低锡Zr-4合金氢含量-灰度的标定曲线，为中子照相技术实际应用于燃料棒包壳氢含量分析奠定了基础。

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Preliminary Study on the Application of Neutron Photography to the Analysis of Hydrogen Content in Fuel Rod Cladding

LIU Xiaoguang1,2，TANG Qi1，HE Linfeng1，WANG Huacai1，LI Yuqing1，WU Meimei1，SUN Kai1，JIAO Xuesheng1，WEI Guohai1，CHEN Dongfeng1,*

（1. China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413，China；2. China National Nuclear Corporation, Beijing 100045，China）

The mechanical properties of Zircaloy cladding of nuclear fuel rods are greatly affected by the hydrogen content. Because the reaction cross section between neutron and hydrogen is much larger than that of Zircaloy substrate, neutron radiography has potential application value in quantitative analysis of hydrogen content of Zircaloy. In order to apply the neutron photography technology to the quantitative analysis of hydrogen content in Zircaloy，the low tin Zr-4 alloys with different hydrogen content were obtained by the dry hydrogen infiltration process, and the samples were imaged by the neutron imaging test platform in China Advanced Research Reactor (CARR). The linear relationship of the hydrogen content-gray value calibration curve of low tin Zr-4 alloy was obtained, which laid a foundation for the neutron photography to be applied to the analysis of hydrogen content in fuel rods.

Gas phase hydrogen permeation; Neutron photography; Zirconium; Hydrogen content

TL48

A

0258-0918（2023）03-0561-07

2022-08-29

刘晓光（1988—），男，山东莱芜人，高级工程师，博士研究生，现从事中子照相方面研究