[发明专利]基本为球形的多层结构的非破坏性和无接触的表征方法及相关装置

说明书

技术领域

本发明总体涉及用于为具有至少两层的球形或基本上为球形的几何形状的多层结构的非破坏性和无接触的表征方法，比如特别是用于高温反应堆的核燃料颗粒。这些颗粒一般包括五层。在下文中，术语颗粒将指代这些多层结构。

背景技术

更具体地，根据第一方面，本发明涉及一种用于包括由分界面分开的至少两层的基本上为球形几何形状的多层结构的非破坏性和无接触的表征方法。

在用于高温核反应堆的核燃料颗粒的例子中，该核燃料颗粒包括裂变芯部，该裂变芯部涂有致密或多孔高温碳层以及比如碳化硅或碳化锆的陶瓷层。确定芯部和各层——该芯部和各层构成燃料颗粒——的密度、厚度、泊松系数以及杨氏模量对于该燃料的质量来说是非常重要的。

最近，用于确定密度的方法是浮选法。在要表征的一组颗粒中取样几个控制颗粒。切割各个颗粒，分离各层的块以便执行密度测量。这些块被依次放置在液体中，块的密度根据温度而明显地变化。然后，改变流体的温度并注意在什么温度下所述块存在于“中层水中”。构成块的材料的密度对应于所述温度时的流体的密度。

该方法具有使用有毒液体的缺点。此外，该表征方法较慢并引起对被表征颗粒的破坏。最后，由于各层的块必须逐一地分离和识别，因此其应用被证明是极其难控制的。

该方法并没有给出关于泊松系数和杨氏模量的任何信息。但是，能够通过具有破坏性(比如微压痕)并需要在逐个分离和识别的各层的块上进行测量的缺点的方法来估算这些系数。

在这一背景中，本发明旨在提出一种可应用于颗粒的表征方法，该方法没有破坏性，不妨碍环境，快速应用并允许在单个测量中获得多个特征。

发明内容

出于该目的，本发明涉及一种用于多层结构的非破坏性和无接触的表征方法，所述多层结构具有包括由分界面分开的至少两层的基本为球形的几何形状，该方法包括以下步骤：

-利用激光，在热弹性条件下局部地加热该结构，将所述结构以非破坏性的方式设为振动；

-测量该结构的振动模式的共振频率；

-由该结构的共振频率推导出与结构的完整性、或几何形状或机械特征有关的至少一个特征。

该方法还可包括以下一个或多个特征，所述特征可单独地考虑或根据所有技术上的可能进行组合：

-用光学测量装置执行共振频率的测量，

-光学测量装置包括干涉测量装置，

-由共振频率推断结构中是否存在裂缝，共振频率存在于至少一个预定频带内表征结构中存在裂缝，所述或各预定频带中不存在的共振频率表征结构中不存在任何裂缝，

-由结构的共振频率推断至少一个层的至少一个寻求的几何特征或机械特征，所述特征选自密度、厚度、杨氏模量和泊松系数，

-所述寻求的几何特征或机械特征由以下反演法推断：

a/由用于所述层或各层的几何特征和机械特征的理论值或测量值的相应的组计算理论共振频率，上述理论值或测量值包括所述寻求的几何特征或各个寻求的几何特征或机械特征的第一值，对于所述或各层，上述理论值或测量值的组包括密度、厚度、杨氏模量和泊松系数；

b/计算理论共振频率与测量的共振频率之间的差值；

c/通过迭代步骤a/、b/、和c/，直到在步骤b/中的计算差值小于预定极限并从理论值或测量值的相应的组选择用于所述的或各寻求特征的新值，

-利用结构的解析振动模型在步骤a/计算理论共振频率，

-通过从测量的共振频率通过反演所述结构的线性振动模型来计算用于寻求特征的理论初始值，初始化反演法，

-在步骤c/中，利用结构的线性振动模型，由在步骤a/中考虑的所述或各寻求的几何特征或机械特征的第一值以及由在步骤b/中计算的理论共振频率与测量的共振频率之间的差值，计算所述或各寻求特征的新值，

-该结构是包括芯部和围绕芯部的至少两层的核燃料颗粒，

-核燃料颗粒由内部至外部包括裂变材料芯部、一层多孔高温碳、第一层致密高温碳、陶瓷层和第二层致密高温碳，寻求的几何特征或机械特征包括选自多孔高温碳层的杨氏模量、第一致密高温碳层的杨氏模量、陶瓷层的杨氏模量和多孔高温碳层的密度的特征中的至少两个特征，

-激光是强度调制激光，比如是发射能量在每个脉冲1μJ和1mJ之间的脉冲激光，各脉冲具有在0.5和50毫微秒之间的持续时间，

-该方法包括以下步骤：

-测量由弹性波在各层之间的分界面处的反射引起的回波的周期；

-由所述周期推断与结构的几何形状或机械特征相关的至少一个特征，