【摘要】：熔鹽堆是第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)的候選堆型之一。除了傳統(tǒng)的液態(tài)燃料熔鹽堆之外,美國(guó)、中國(guó)的研發(fā)人員還提出了固態(tài)燃料熔鹽堆的設(shè)計(jì)。固態(tài)燃料熔鹽堆采用基于TRISO(Tristructural isotropic)顆粒的燃料元件,近年來正逐漸受到各國(guó)的關(guān)注。其燃料元件可以采用不同的設(shè)計(jì),如球形、燃料棒及板型等。TRISO顆粒由燃料核芯(鈾和釷的氧化物、碳化物等)和四個(gè)不同材質(zhì)的包覆層組成。四個(gè)包覆層由內(nèi)而外分別是緩沖層,內(nèi)致密熱解碳層,碳化硅層和外致密熱解碳層。包覆層的結(jié)構(gòu)完整程度是有效約束放射性裂變產(chǎn)物釋放、確保燃料安全的重要因素。合適的包覆層厚度以及完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以有效地降低燃料的失效概率,從而保證反應(yīng)堆的安全高效運(yùn)行。因此,包覆層的厚度是TRISO包覆顆粒燃料制備過程中重要的質(zhì)量控制參數(shù)。金相法是最常用的測(cè)量包覆層厚度的方法。但這種方法受到金相制樣的限制,只能獲得某一剖面的厚度信息。與金相法相比,X射線成像法可以對(duì)包覆顆粒進(jìn)行無損檢測(cè),且可以通過變換觀測(cè)角度得到更加全面的包覆層厚度信息。另一方面,對(duì)于有制造缺陷或運(yùn)行過程中產(chǎn)生破損的TRISO顆粒,目前缺乏有效的檢測(cè)手段。本工作采用X射線相位襯度成像利用X射線穿過不同材料邊界時(shí)急劇的相位變化,對(duì)TRISO顆粒內(nèi)部的各類邊緣諸如包覆層邊界,破損邊緣做清晰的成像。在此基礎(chǔ)上的開展的兩項(xiàng)研究?jī)?nèi)容分別為:(1)提出TRISO包覆燃料顆粒包覆層厚度的自適應(yīng)算法,并完成了厚度計(jì)算程序;(2)利用監(jiān)督字典學(xué)習(xí)算法,建立了 TRISO燃料顆粒缺陷及破損的分析算法和程序�，F(xiàn)有的對(duì)TRISO厚度進(jìn)行無損計(jì)算的方法可以歸納為三個(gè)步驟,分別是圖像去噪,邊緣提取和厚度計(jì)算。然而現(xiàn)有的方法中對(duì)去噪算法優(yōu)劣的關(guān)注不夠,邊緣提取的自動(dòng)化程度較低,消耗的人力大,計(jì)算速度較慢。因而本研究針對(duì)現(xiàn)有的方法存在的一些弊端做了以下改進(jìn):1.使用全局差分降噪算法(total variation denoising algorithm)去噪,該算法具有較高的邊緣敏感程度,可以在濾除背景噪聲的同時(shí)較完整地保留邊緣信息;使用襯度噪聲比CNR(contrast to noise ratio)做去噪圖像做量化,從而優(yōu)化該算法中的參數(shù),最大可能地防止邊緣信息流失;2.使用自適應(yīng)Canny算子做自動(dòng)邊緣提取,使傳統(tǒng)Canny算子中的兩個(gè)重要參數(shù),濾波器寬度和非邊界比例系數(shù)達(dá)到自適應(yīng)化,從而可以自動(dòng)計(jì)算出邊緣探測(cè)的閾值,減少人力投入,提高邊緣探測(cè)的準(zhǔn)確程度;3.使用最小二乘法做圓心定位等,最終計(jì)算厚度的平均值和方差,使用單因素方差分析對(duì)無損方法和金相顯微鏡法計(jì)算得出的平均厚度做統(tǒng)計(jì)分析,探究?jī)煞N方法在測(cè)量結(jié)果上是否存在顯著差異;利用計(jì)算的方差信息分析包覆顆粒的厚度均勻性;最終證明,該方法經(jīng)證明可以產(chǎn)生與金相顯微鏡法相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果,厚度方差較大的顆粒其包覆均勻程度較差;目前分析包覆顆粒的破損情況主要是基于有限元模型的模擬方法,尚未找到利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行破損識(shí)別的例子。本研究將機(jī)器學(xué)習(xí)方法用于顆粒的破損檢測(cè)中。主要工作如下:1.使用大津法將圖像上的顆粒單個(gè)分割開來,大津法根據(jù)圖像灰度直方圖計(jì)算出基于某個(gè)閾值劃分的類間方差,并通過最大化類間方差求得最終的優(yōu)化閾值。使用該閾值將圖像中的像素點(diǎn)分成兩類,從而可以將圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像。在此基礎(chǔ)上,利用二值化圖像中像素點(diǎn)的連通情況確定各顆粒的位置信息,最終將各顆粒提取分離開來;2.使用 HOG(histogram of oriented gradient algorithm)和 LBP-HF(local binary pattern histogram Fourier)兩個(gè)描述子對(duì)顆粒做特征提取。其中前者對(duì)光照和圖像襯度的變化具有較強(qiáng)的魯棒性,能將圖像中的方向梯度直方圖作為圖像的特征進(jìn)行描述,有效捕獲圖像邊緣;后者則具有圖像旋轉(zhuǎn)不變性,它是局部二值化圖案特征描述子的修正版,將均勻(uniform)局部二值化圖案直方圖的傅立葉變化作為最終的特征向量,更好地描述圖像中的各像素點(diǎn)與周圍像素點(diǎn)的差異,即紋理信息;使用典型關(guān)聯(lián)法將HOG特征和LBP-HF特征做特征融合,使混合特征同時(shí)具備兩種特征描述子的優(yōu)點(diǎn),從而可以更好地將破損顆粒和完好顆粒區(qū)分開來;3.結(jié)合監(jiān)督字典學(xué)習(xí)(labelconsistentK-SVD,LCK-SVD)將捕獲的圖像特征作訓(xùn)練,生成一本字典用于其他顆粒特征的稀疏表達(dá);由于LCK-SVD對(duì)字典學(xué)習(xí)的目標(biāo)函數(shù)做了修正,利用訓(xùn)練集的標(biāo)簽信息加強(qiáng)特征的稀疏表達(dá),并引入了分類器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,因而可以實(shí)現(xiàn)稀疏編碼與自動(dòng)識(shí)別。識(shí)別率達(dá)到83.1%;4.本次實(shí)驗(yàn)?zāi)康臑閷?shí)現(xiàn)各類顆粒的識(shí)別,引入四種破損類型,包括核芯遷移,OPyC層缺失,緩沖層不均勻以及包覆層破碎等。識(shí)別的結(jié)果不僅可以區(qū)分完好顆粒與破損顆粒,也可以區(qū)分各種破損類型。自動(dòng)識(shí)別顆粒內(nèi)部破損結(jié)構(gòu)有助于分析燃料的失效概率,該識(shí)別方法也可以用于其他的破損分類。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TL426;TP391.41
【圖文】：

藝上是采用化學(xué)氣相沉積（ＣＶＤ）法。己炔氣體可以制得熱解碳，混入丙烯的乙逡逑炔氣體則反應(yīng)生成致密熱解炭層，ＳｉＣ則是由三氯甲基硅墢熱解制成。ＴＲＩＳＯ燃逡逑料顆粒結(jié)構(gòu)圖如下圖１．１所示＜＝逡逑裂變產(chǎn)物的傳輸性能是燃料的關(guān)鍵指標(biāo)�！�?yàn)榻饘倭炎儺a(chǎn)物和氣體從核芯逡逑釋放之．啟，通過燃料包覆層、燃料元件基體石墨傳輸?shù)缴鋮s劑，這些裂變產(chǎn)物逡逑是影響燃料服役性能和燃料質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。ＴＲＩＳＯ四個(gè)包覆層可以有效阻擋逡逑裂變產(chǎn)物的釋放，是反應(yīng)堆中裂變產(chǎn)物釋放的主要屏障；燃料中的裂變產(chǎn)物衰變逡逑期遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于燃料的壽命，包覆層可以保證在正常操作和所有允許的基準(zhǔn)．事件中逡逑不發(fā)生泄露；同時(shí)，它達(dá)到約束裂變材料的Ｈ的。例如，每—？層都是外一層包覆逡逑層的沉積基面，ＩＰｙＣ層中的疏松熱解炭層可以緩解裂變產(chǎn)物對(duì)同—層中致密熱逡逑解碳層的沖擊，可以包容部分裂變產(chǎn)物。四個(gè)包覆層的Ｍ度和密度如表１．１所示ｓ逡逑由表中數(shù)據(jù)可以分析得到，各個(gè)包覆層都是由含碳或含硅元素的材料組成，這些逡逑含輕元素的材料吸收系數(shù)都比較小

９５ｙｕｍ，４０ｙｕｍ，３５ｙｕｍ和４０ｙｕｍ。然而在實(shí)際的生產(chǎn)工藝中，核芯半徑和包覆層的逡逑厚度并不完全符合標(biāo)準(zhǔn)值，由于工藝水平的限制，生產(chǎn)的包覆顆粒核芯半徑及包逡逑覆層厚度值呈現(xiàn)正態(tài)分布，如圖１．２所示。這種正態(tài)分布的峰值（平均厚度）說明逡逑顆粒必須滿足一定的足夠的厚度，才能達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)差則代表顆粒與顆粒逡逑之間的厚度分布存在一定的偏差，這種偏差在一定的范圍之內(nèi)是允許的。在實(shí)逡逑際生產(chǎn)中，主要使用隨機(jī)抽樣法來預(yù)測(cè)包覆層厚度變化對(duì)燃料失效概率的影響。逡逑考慮某一包覆層厚度對(duì)失效概率影響時(shí)則采用部分隨機(jī)抽樣法。逡逑目前一些探究包覆層厚度對(duì)失效概率影響的實(shí)驗(yàn)為制備顆粒并控制包覆層逡逑厚度提供了參考依據(jù)。中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所張永棟等人發(fā)現(xiàn)ｂｕｆｆｅｒ?qū)渝义系暮穸确植紝?duì)燃料失效概率的貢獻(xiàn)最大，當(dāng)ｂｕｆｆｅｒ?qū)雍穸确植嫉臉?biāo)準(zhǔn)偏差降低逡逑至１６ｙｕｍ以下，ＴＲＩＳＯ顆粒的失效概率將降低一個(gè)數(shù)量級(jí)（張永棟，２０１６）。朱貴逡逑鳳等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)核芯半徑小于ＺＯＯｙｕｍ時(shí)，燃料的失效概率將增大，這是由于空間逡逑自屏蔽效應(yīng)使得燃料的有效燃耗深度大大減少（朱貴鳳，２０１５）。逡逑１．３．４邋ＴＲＩＳＯ破損機(jī)制分析逡逑圖１．３為ＴＲＩＳＯ的破損失效機(jī)制示意圖。在輻照和假定事故條件下ＴＲＩＳＯ包逡逑覆系統(tǒng)部分或全部失效破損的失效機(jī)制包括：逡逑？輻照引起的

料核芯遷移出來。在對(duì)ＴＲＩＳＯ燃料的輻照后測(cè)試中Ｂ經(jīng)發(fā)現(xiàn)Ｐｄ會(huì)與ＳｉＣ發(fā)生化逡逑學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)速率與溫度高度柑關(guān)，肩溫度高子１３００Ｘ時(shí)，Ｐｄ穿透ＳｉＣ層所需逡逑的時(shí)間急劇降低（Ｐｄ腐蝕ＳｉＣ如圖１．４所示）。此外，在輻照過程中Ｃ／０２核芯會(huì)逡逑產(chǎn)生過剩的氧，其并不能完全通過與裂變產(chǎn)物的反應(yīng)來完全消耗。尤其在高燃耗逡逑時(shí)核芯孔隙增多，幾乎所有的氧都能從Ｃ／0２核芯逃逸，并且很快與緩沖層的碳逡逑反應(yīng)生成ＣＯ。這不僅會(huì)X椉友沽θ萜骱湍諍飼ㄒ頻母怕剩一嵩謔鹿侍跫膩義銜露認(rèn)露裕櫻椋貌閽斐篩礎(chǔ)ｅ義稀濉鰣義希澹掊濉鰣澹澹義希澹輳伲В�、‘广＂Ｈ邋．逦’NB＃邋￥邋Ｉ邋ｉｉ邋Ｉ？邋－邐■＇Ｅ邋？＃％逡逑■�。�？邐．．．邐，P？邐＂邋ｆｃ邋？邋＾ｌ＝ｉ逡逑．■邋■＂＜邐’邐Ｗ＇邋ｍ邐■■＞．＞‘￥．邐．．．逡逑私邐＊＂９＊．號(hào)－．ｍｈｒ邋—邋．邋１逡逑ｒ邋：．：；Ｖｆ．樣秦？．＇Ａ逡逑圖１．４裂變產(chǎn)物對(duì)ＳｉＣ層的局部灥（Ｐｅｔｔｉ，２０１０）0逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋ＳｉＣ邋ｌａｙｅｒ邋ｌｏｃａａｌｙ邋ｃｏｒｒｏｄｅｄ邋ｂｙ邋ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ邋ｆｉｓｓｉｏｎ（Ｐｅｔｔｉ，邋２０１０）．逡逑ＳｉＣ在很嗇的溫度下會(huì)分解為Ｓｉ和Ｃ。ＳｉＣ汽化后會(huì)留下多孔的碳骨架。基逡逑于以前的堆芯計(jì)算，這種失效機(jī)制在正常運(yùn)行溫度下對(duì)燃料失效的貢獻(xiàn)并不大。逡逑１０逡逑

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本文編號(hào)：2767109