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
Главный научный сотрудник ВНИИТФА, научный руководитель ряда разработок методов и средств в области радиометрической дефектоскопии, промышленной томографии и НК твэлов.
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
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.
а)
б)
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.
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.
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).
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.
Рис. 5
Рис. 6
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.