+7 (903) 799-86-55

Радионуклидные компьютерные томографы



Приводятся некоторые результаты разработки методов и средств радионукпидной компьютерной томографии (РКТ), проводимой ВНИИТФА. РКТ имеет свои специфические осо­бенности и получила большое развитие в атомной науке и промышленности как в дореакторных, так и в после- реакторных исследованиях твэлов ядерных реакторов.

Об авторах

 Косарев Леонид Иванович

 

Косарев Леонид Иванович

 

Главный научный сотрудник ВНИИТФА, научный руководитель ряда разработок методов и средств в области радио­метрической дефектоскопии, промыш­ленной томографии и НК твэлов.

 

 

 Кузелев Николай Ревокатович

 

Кузелев Николай Ревокатович 

Директор ВНИИТФА, доктор тех­нических наук, научный руководитель работ института по РКТ, которой начал непосредственно заниматься более 20 лет назад.

 

 

Штань Александр Сергеевич

 

Штань Александр Сергеевич 

Научный руководитель институ­та, основатель и руководитель ряда научных направлений, в том числе и промышленной компьютерной томо­графии применительно к контролю изделий атомной энергетики, кото­рая вошла составной частью в проб­лему НМК твэлов при их производ­стве.

 

 

 

Обеспечение высокого и стабильного качества промышленной продукции является одним из основных требований современного производства. Предупреждение аварийных ситуаций в атомной энергетике, авиакосмической технике, химической и нефтегазовой промышленности, машиностроении и металлургии трудно гарантировать существующими средствами контроля. Поэтому необходимо создание новых, более информативных средств. Одним из таких средств, интенсивно развивающихся в последнее время, является промышленная компьютерная томография.

В последние годы за рубежом созданы опытные и промышленные образцы томографов для контроля и исследований изделий из стали, сплавов алюминия и магния, бериллия, керамики, ком­позитов, твердого ракетного топлива и т. д. в широком диапазоне размеров. В США разработкой KT занимается ряд крупных фирм (Scientific Measurement Systems, Inc.; Aerojet Strategic Propultion, Inc.; Ford Motors и др.) в кооперации с большим числом других фирм, в ФРГ также ведутся значительные работы в данном направлении (фирмами ВАМ, Seifert), в Великобритании этим занята фирма EMI, в Японии - Toshiba и некоторые другие, больших успехов достигла француз­ская фирма Intercontrole, предложившая к продаже многоцелевой промышленный томограф MAGIC.

Наиболее широкое применение получила рентгеновская томография, в том числе и в Рос­сии. С применением рентгеновских томографов успешно решаются сложные задачи контроля изделий в различных областях техники.

Широкий спектр дополнительных возможностей открывает при­менение радионуклидной компьютерной томографии (РКТ), позволяющей получать данные на основе регистрации собствен­ного излучения контролируемых объектов (эмиссионная томогра­фия). Особое значение РКТ имеет для атомной промышленности.

В атомном реакторостроении практически каждый элемент или узел подлежит НК, и расходы на дефектоскопию по разным оценкам составляют 25 % и более от стоимости объекта. Внедрение средств РКТ позволит поднять уровень качества продукции. Особо следует отметить актуальность проведения сравнительных томографических исследований ядерного топлива до установки в реактор и после заданного цикла его облучения.

Методы РКТ можно разделить на две группы - трансмиссионные и эмиссионные. Сущ­ность первого из них поясняется на рис. 1, а. В процессе контроля осуществляется линейное перемещение системы источник-детектор относительно контролируемого объекта вдоль оси Y и одновременный дискретный поворот объекта на угол Дф. Каждому положению контролируе­мого объекта относительно этой системы соответствует определенная зарегистрированная детектором интенсивность излучения, прошедшего через изделие от источника. Обработка в компьютере этого массива данных с использованием специального программного обеспечения позволяет получить картину поперечного сечения контролируемого объекта, представленную в значениях распределения плотности материала.

 Эмиссионная компьютерная томография (рис. 1, б) отличается тем, что системой детек­торов с коллиматорами регистрируется излучение, вышедшее из контролируемого объекта. Сканирование объекта осуществляется по схеме, близкой к схеме трансмиссионной томогра­фии, однако при обработке данных учитывается регистрируемое детекторами излучение, вы­шедшее из объекта в противоположных направлениях. Кроме того, регистрируемое излучение имеет сложный спектральный состав, что усложняет систему регист­рации обязательным использованием спектрометрического режима. В результате обработки данных получают распределение активности излучателей по сечению контролируемого объекта в различных энергетических диапазонах спектра.

 Схема трансмиссионного (а) и эмиссионного (б) методов томографииа)

 Схема трансмиссионного (а) и эмиссионного (б) методов томографииб)

Рис. 1. Схема трансмиссионного (а) и эмиссионного (б) методов томографии:

1 - радионуклидный источник; 2- контролируемый объект с дефектом; 3- коллиматор; 4- детектор

В течение ряда лет ВНИИ технической физи­ки и автоматизации (ВНИИТФА) разработан ряд радионуклидных трансмиссионных и эмиссион­ных томографических систем для промышленного применения. Такие системы имеют специфи­ческое исполнение для конкретных условий использования в лабораториях, защитных камерах и производственных цехах, стационарное и транс­портабельное исполнение. Применяются разно­образные методики и программные комплексы для исследований промышленных изделий. Боль­шинство применяемых технических решений за­щищено авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

 МНМГ-1

Рис.2

Одной из таких разработок является томограф МНМГ-1 (рис. 2), предназна­ченный для контроля стержневых твэлов ядерных реакторов. Это комплекс систем измерения исходной информации для получения данных о геометрических ха­рактеристиках твэла, распределении топ­лива и его компонентов по длине и радиу­су сердечника, дефектоскопии оболочки твэлов. Могут быть реализованы методи­ки трансмиссионной компьютерной томо­графии, гамма-абсорбции и пассивного гамма-сканирования.

Аппаратура комплексного контроля позволя­ет получить распределение по длине твэла плот­ности топливной смеси и по нему определить зоны, которые необходимо исследовать более детально, используя компьютерную томографию. Отдельный блок датчиков регистрирует собст­венное излучение топлива, загруженного в твэл. Эта информация, совместно с данными о позиционировании твэла, используется для физичес­кого взвешивания топлива.

В качестве примера на рис. 3 приведена томограмма стержневого твэла с воздушной порой внутри

 Рис. 3

На ряде предприятий с использованием этого омографа контролировались таблеточные и виброплотненные твэлы на однородном и смешанном топ- шве. В качестве примера на рис. 3 приведена томограмма стержневого твэла с воздушной порой внутри, Такие данные необходимы при отработке технологии 13готовления твэлов. Интерфейс позволяет выбирать параметры радиотехнических цепей

При проведении послереакторных ис­следований облученных твэлов чрезвы­чайно важен анализ относительного распределе­ния продуктов деления по слоям твэла, а именно: общей активности и активности отдельных нук­лидов, таких как 137Сs, 134Сs, 106Rb, 95(Zr + Nb) и др.

Для проведения таких исследований шаровых и стержневых твэлов разработан эмиссионный компьютерный томограф ЭКТ-1. Он включает специализированное устройство сканирования (рис. 4), установленное в защитной камере горячей лаборатории и предназ­наченное для автоматического перемещения твэла, облученного в реакторе и имеющего собственное излучение широкого спектра. Из­лучение регистрируется блоком детектирования, работающим в спектрометрическом режиме и установленном за пределами защитной камеры. Восстановленная томограмма соответствует распределению активности продуктов деления в поперечном сечении твэла (рис. 5).

 АЦ-ЗР

Рис. 4

Для томографического контроля широкого спектра изделий разработан универсальный томограф АЦ-ЗР, обеспечивающий исследова­ние изделий с габаритными размерами от 5 до 150 мм. Он основан на использовании кванто­вого излучения в диапазоне энергий от 60 кэВ до 1,5 МэВ. Для расширения возможностей то­мографа применяются различные методы ре­гистрации прошедшего через контролируемый объект излучения, такие как радиометричес­кий, радиографический и радиоскопический. АЦ-ЗР применялся как в атомной промышлен­ности для контроля небольших исследова­тельских сборок (рис. 6), так и для контроля узлов летательных аппа­ратов при исследовании причин сбоя в их работе. На рис. 7 приведена томограмма топливной форсунки авиадвигателя с отчетливо видимой трещиной в одном из каналов.

В настоящее время перспективным направ­лением работы во ВНИИТФА является создание трансмиссионно-эмиссионных томографических комплексов для контроля объектов, обладающих собственным излучением. Использование дан­ных трансмиссионной томограммы при эмисси­онной томографии позволит учесть самопогло­щение излучения в контролируемом объекте и тем самым повысить точность построения рас­пределения активности радионуклидов по сече­нию контролируемого объекта.

 До сих пор известны лишь отдельные случаи применения нейтрон­ного излучения для томографического исследования объектов

Рис. 5

До сих пор известны лишь отдельные случаи применения нейтрон­ного излучения для томографического исследования объектов

Рис. 6

До сих пор известны лишь отдельные случаи применения нейтрон­ного излучения для томографического исследования объектов

Рис. 7

До сих пор известны лишь отдельные случаи применения нейтрон­ного излучения для томографического исследования объектов. Так в Аргоннской национальной лаборатории (США) с использованием выведенных из реактора нейтронных пучков проводилась томография тепловыделяющих сборок. Регистрация излучения осуществлялась радиографическим методом с последующей оцифровкой значений плотности почернения. Существенным расширением области приме­нения PKT явилось бы использование нейтронного излучения для контроля изделий, включающих водородосодержащие материалы, в том числе и органику, за стальными барьерами. При этом желатель­ным является использование приборных методов регистрации нейт­ронов для достижения приемлемой производительности контроля. В настоящее время ВНИИТФА приступает к проведению таких работ.

 

Благодарим журнал "В Мире НК" за любезно предоставленную информацию http://www.ndtworld.com

Возврат к списку