CC BY
65
УДК 681.782.473 + 658.562; 681.786.23/.24 : 621.039
1 12 12 Ю.А. Лемешко , Е.С. Сенченко , , Д.Р. Хакимов ’
1 КТИ НП СО РАН, Новосибирск
2 НГТУ, Новосибирск
КОНТРОЛЬ ГЕОМЕТРИИ ТВС МЕТОДОМ СТРУКТУРНОГО ОСВЕЩЕНИЯ
В работе рассмотрен способ контроля геометрии тепловыделяющей сборки (ТВС) на основе метода структурного освещения. Предложенный способ позволяет определять деформации ТВС после эксплуатации в реакторе атомной электростанции: изгиб и скручивание. Описан алгоритм получения
дифракционного оптического элемента (ДОЭ), формирующего структурное освещение заданной конфигурации. Представлены экспериментальные данные.
Yu.A. Lemeshko1, E.S. Senchenko1,2, D.R. Khakimov 1 ’2
1 Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering of Siberian Branch RAS
41 Russkaya Ul., Novosibirsk, Russian Federation
Л
Novosibirsk State Technical University 20 Marx Pr., Novosibirsk, Russian Federation
FUEL ASSEMBLY GEOMETRY INSPECTION BY STRUCTURAL LIGHTING METHOD
Geometry inspection method of fuel assembly on the basis of structured lighting method is considered. Proposed method allows determining deformations of fuel assembly after operation in reactor of nuclear power station: bending and twisting. Synthesis algorithm of diffraction optical element which forms structural lighting with specified configuration is shown. Experimental results are presented.
Контроль ТВС [1] является важной задачей атомной промышленности. К системам контроля ТВС предъявляются требования высокой точности, производительности, компактности, универсальности. После работы в реакторе, сборка поступает в бассейн выдержки (БВ), где должен проводиться контроль для определения возникших деформаций. В процессе работы реактора возможно появление двух видов деформаций ТВС, которые необходимо измерять в БВ: изгиб и скручивание.
На рис. 1 представлен вид ТВС. Она содержит несколько сотен тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). ТВЭЛы выполнены в виде циркониевых трубок диаметром около 9 мм, внутри которых находится ядерное топливо. Несущий каркас ТВС включает в себя дистанционирующие решетки (ДР), изготовленные в виде сотовой структуры, в ячейках которой помещаются
ТВЭЛы. С помощью решеток задается требуемое строго дистанционное расположение пучка ТВЭЛ в поперечном и продольном сечениях (по высоте ТВС).
В работе представлен способ бесконтактного контроля геометрии ТВС в условиях бассейна выдержки, основанный на методе структурного освещения [2], суть которого заключается в определении деформации объекта по смещению световых маркеров, сформированных на его поверхности с помощью полупроводникового лазера и ДОЭ. Регистрация происходит с помощью фотоприемной камеры.
решетки
Рис. 1. Внешний вид тепловыделяющей сборки для реактора ВВЭР-1000
На рис 2. представлена измерительная схема контроля геометрии ТВС. Схема состоит из трех одинаковых измерительных блоков, расположенных вокруг контролируемого изделия под углом 120° (рис. 2, а). Каждый из измерительных блоков включает в себя два осветителя и одну фотоприемную камеру (рис. 2, б). В момент измерения в кадре камеры одновременно находятся две соседних решетки ТВС. Изгиб ТВС определяется как сдвиг одной решётки относительно другой, скручивание - как поворот двух соседних ДР одна относительно другой.
а) б)
Рис. 2. Измерительная схема: а) общая схема способа контроля; б) оптическая
схема контроля фрагмента ТВС;
1 - ТВС; 2 - ДР; 3 - лазерный диод; 4 - коллиматор; 5 - ДОЭ; 6 - объектив камеры; 7 - фотоприемная матрица; 8 - набор световых маркеров
Излучение лазерного диода З (ADL - 66Z51DL фирмы Laser Components) проходя через коллимирующий объектив 4 (рис. 2,б), попадает на ДОЭ 5, который формируют на ДР 2 световые маркеры S. Рассеянное излучение регистрируется камерой на базе матрицы 7 (IBIS4-A-6600 фирмы Cypress Perform) размером 2210хЗ002 пикселей (размер пикселя З,5хЗ,5 мкм) и объектива 6 (Мир-11). Зарегистрированное изображение поступает на компьютер и обрабатывается с помощью специальной программы.
Получая последовательность изображений фрагментов в процессе перемещения всей ТВС через измерительную систему, можно определить деформацию всей сборки. Результатом обработки сигнала с каждой из камер является набор координат маркеров от двух граней решётки.
На рис. З представлена фотография экспериментальной установки, моделирующей работу отдельно взятого измерительного блока на одной решетке ТВС.
Рис. 3. Фотография экспериментальной установки:
1 - ДР; 2 - координатный столик; 3 - ДОЭ; 4 - лазерный диод; 5 - камера; 6 -
компьютер
Важной составляющей измерительной системы является ДОЭ. Он представляет собой амплитудную дифракционную пластинку, изготовленную с помощью лазерного фотопостроителя CLWS-300/C-M [3].
Для расчета топологии ДОЭ использовался метод обратного хода лучей: предположим, что в определенных точках решетки локализованы входные сигналы, которые представляют собой 5-функции. Выходным сигналом будет являться суперпозиция входных сигналов, преобразованных свободным пространством. Свободным пространством в данном случае является промежуток от поверхности решетки до плоскости размещения ДОЭ (локализация выходного сигнала).
Благодаря фильтрующему свойству 5-функции в каждой точке участка выходной плоскости (рис. 4, а) формируется суперпозиция восемнадцати импульсных откликов свободного пространства. Каждый из них описывается функцией:
И,(г) =
е
(1)
У ■ л ■ г, ’
где гг = ^(х-х,)2 +(_у-у,)2 +{г-г1)2 , л', у, г - координаты точек в области
ДОЭ, Х{, у-, 21 - координаты точек на поверхности ДР; 1 < I < 18; к=2п/Х -волновое число; X - длина волны излучения (Х=0,66 мкм).
а) б)
Рис. 4. Расчет ДОЭ: а) математическая модель расчета; б) топология ДОЭ (размер изображения 8000 х 8000 пикселей)
После упрощений формулы (1) и расчета суммарного сигнала в выходной плоскости, получаем изображение ДОЭ с функцией пропускания
ехр[у • к ■ у1(х- х, )2 + у2 +
Т (у )
2 і
/=1
• к • у](х - х, у
у2 + -,-2
(2)
где Пі - весовой коэффициент маркера (интенсивность точки). Топология ДОЭ представлена на рис. 4, б. Рис. 5, на котором показан снимок с фотоприемной камеры при освещении ДР точечными маркерами, иллюстрирует работу ДОЭ:
Рис. 5. Изображение решетки при освещении точечными маркерами
Для оценки чувствительности во всем измерительном диапазоне эксперимент проводился в трех положениях решётки: z = +20 мм, -20 мм, 0 мм (нулевая отметка соответствует середине измерительного диапазона). В каждом из положений проводилось 10 измерений с шагом 200 мкм. Чувствительность метода составила ~ 3 пикс/мм, что обеспечивает погрешность контроля геометрии ТВС не более 1 мм.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Левин, В.Е. Ядерная физика и ядерные реакторы: учебник для техникумов. - Изд. 4-е перераб. и доп. - М.: Атомиздат, 1979. - 206с.
2. Finogenov L.V., Lemeshko Yu.A., Zav’yalov P.S., and Chugui Yu.V. 3D laser inspection of fuel assembly grid spacers for nuclear reactors based on diffraction optical elements. // Measurement science and technology. - 2007. Vol. 18. - № 6. - P. 1779-1785.
3. Gurenko, V.M., Kastorsky, L. B., Kiryanov, V.P., Kiryanov, A.V., Kokarev, S.A., Vedernikov, V. M., Verkhoglyad, A.G.: Laser writing system CLWS-300/C-M for microstructure synthesis an the axisymmetric 3-D surfaces. Proc. SPIE 4900 -2002 - P. 320-325.
© Ю.А. Лемешко, Е.С. Сенченко, Д.Р. Хакимов, 2011
