Регистрация / Вход
Прислать материал

Высокоскоростные оптико-электронные технологии контроля геометрии компонентов перспективных тепловыделяющих сборок

Докладчик: Чугуй Юрий Васильевич

Должность: директор, профессор, д.т.н.

Цель проекта:
Цель работы: разработка оптико-электронных технологий высокоскоростного контроля компонентов перспективных тепловыделяющих сборок для повышения безопасности, надежности и экономичности их производства и эксплуатации. В рамках выполнения работы планируется получить новые методы и подходы организации производственного контроля компонентов тепловыделяющих сборок (таблеток, тепловыделяющих элементов, дистанционирующих решеток), которые будут применены для изготовления прототипов измерительных систем реальной продукции. Так, в результате прикладной НИР будут: созданы экспериментальные образцы высокоскоростной системы контроля дистанционирующих решеток перспективных ТВС и внешнего вида оболочек ТВЭЛ; разработаны и исследованы новые методы контроля внешнего вида таблеток с измерением глубины дефектов; разработаны высокоскоростные программно-аппаратные средства получения и обработки изображений с целью повышения достоверности систем контроля внешнего вида топливных таблеток. Полученные результаты будут использованы, прежде всего, в атомной отрасли России, а также в других отраслях промышленности – в ракетно-космической, оптико-механической, горно-добывающей и др.

Основные планируемые результаты проекта:
В рамках выполнения ПНИ планируется получить следующие научно-технические результаты:
— состояние и тенденции использования технологий контроля компонентов ТВС на ведущих мировых
предприятиях (AREVA, TOSHIBA, WESTINGHOUSE ELECTRIC, ТВЭЛ и др.) по результатам
информационного и патентного поиска;
— научные и научно-технические основы для создания новых технологий оптико-электронного контроля;
— новые методы и подходы организации производственного контроля компонентов ТВС (таблеток,
ТВЭЛов, ДР);
— экспериментальные стенды, макеты устройств, прототипы базовых измерительных модулей
измерительных систем, реализующих разработанные методы высокоскоростного контроля на реальной
продукции и её имитаторах;
— математические модели, описывающие формирование сигналов и изображений в оптико-электронных
устройствах;
— высокоскоростные алгоритмы обработки изображений и измерительной информации, имеющие
высокую степень надежности и достоверности работы;
— результаты производственных испытаний отдельных базовых измерительных модулей в
производственных условиях (на площадях индустриального партнёра);
— отчеты о проведенных исследованиях и испытаниях, а также рекомендации по применению
разработанных технологий производственного контроля на предприятиях атомной отрасли России.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные результаты будут использованы, прежде всего, в атомной отрасли России, а также в других
отраслях промышленности – в ракетно-космической, оптико-механической, горно-добывающей,
нефтегазовой, машиностроительной, металлургической, приборостроительной, на транспорте, на
предприятиях энергетического и оборонно-промышленного комплекса и др. Разработанные методы и
системы могут быть эффективно использованы для трёхмерного бесконтактного контроля огромной
номенклатуры изделий в технологических линиях их производства. Их применение позволит заметно
улучшить качество выпускаемой продукции благодаря автоматизации контрольно-измерительных
операций и исключению субъективного фактора при контроле, своевременной отбраковке изделий.
На основании многолетнего опыта использования в атомной отрасли оптико-электронных средств
контроля, разработанных в КТИ НП, можно прогнозировать с большой долей вероятности, что внедрение
на её предприятиях результатов ПНИ обеспечит дальнейшее повышение надёжности и безопасности
2014-14-576-0049-8717 17.04.2014 8:27 5 5ea925d3411d417a2686d223ae2d277a
тепловыделяющих сборок при их производстве и эксплуатации на АЭС, а также улучшит условия работы
персонала на особо опасном производстве сборок для БН-реакторов, где необходимо максимально
исключать контакт персонала с изделиями.

На основе результатов исследований возможно будет оформить интеллектуальную собственность.
Возможными потребителями научно-технических результатов ПНИ могут быть производители ядерного
топлива для АЭС и исследовательских реакторов в России и зарубежных странах (Госкорпорация
«Росатом»). К ним в первую очередь относятся предприятия Топливной компании «ТВЭЛ»: ОАО
«Новосибирский завод химконцентратов» (г. Новосибирск), ОАО «Машиностроительный завод» (г.
Электросталь). Также другие предприятия атомной отрасли России, производящие компоненты ТВС: ГНЦ
«НИИАР», ПО «Маяк», в перспективе при реализации проекта «Прорыв»: ОАО «СХК» (г. Северск), ФГУП
«ГХК» (г. Железногорск). В дальнейшем возможными потребителями могут стать иностранные
предприятия атомной отрасли.
В качестве индустриального партнера Проекта нами выбран завод ОАО «Новосибирский завод
химконцентратов» (ОАО «НЗХК») – один из ведущих мировых производителей ядерного топлива для АЭС
и исследовательских реакторов России и зарубежных стран, единственный российский производитель
металлического лития и его солей, чистой литиевой продукции, лития-7 (с атомной долей изотопа лития-7
не менее 99,95 процентов). Входит в структуру Топливной компании «ТВЭЛ» Госкорпорации «Росатом».
В настоящее время примерно 6 процентов от общей установленной мощности энергетических ядерных
реакторов мира работают на топливе, производимом в ОАО «НЗХК». По итогам прошлого года выручка
предприятия составила более 7,8 млрд. рублей.
Технологический цикл изготовления ТВС включает изготовление порошка диоксида урана и топливных
таблеток, снаряжение и герметизацию ТВЭЛов, изготовление комплектующих и сборочное производство
самих ТВС. Этот вид производства в составе ОАО «НЗХК» действует и совершенствуется на протяжении
более 30 лет. Производственный комплекс изготовления ТВЭЛов и тепловыделяющих сборок оснащен
автоматизированным оборудованием, системами управления и контроля, которые должны постоянно
совершенствоваться для обеспечения стабильности технологических процессов, увеличения качества
готовой продукции и повышения показателей предприятия.
В ОАО «НЗХК» изготавливается 5 основных модификаций ТВС для реакторов ВВЭР-1000 и ВВЭР-1200
проекта АЭС-2006. Предприятие участвует в разработке российской конструкции топлива для западных
реакторов типа PWR с 12-футовой активной зоной и форматом ТВС «17х17». Освоена технология
изготовления ТВС типа MTR с пластинчатыми ТВЭЛами для исследовательских реакторов западного
дизайна. НЗХК изготавливает топливные таблетки для ТВЭЛов типа ВВЭР, РБМК и PWR. Проектная
производительность топливных таблеток в ОАО «НЗХК» составляет более 600 000 штук в год.
Предприятие имеет все необходимые предпосылки (технологические возможности, кадры, многолетний
опыт сотрудничества с КТИ НП) для внедрения и освоения новейших оптико-информационных
измерительных систем КТИ НП для тепловыделяющих сборок нового поколения. В результате
двадцатипятилетнего сотрудничества Института с этим предприятием разработаны и внедрены в
технологические линии производства ТВЭЛ и ТВС около десятка оптико-электронных измерительных
систем. Их применение позволило значительно улучшить качество выпускаемой предприятием продукции
и повысить её конкурентоспособность на мировом рынке атомных технологий. По мнению администрации
Новосибирской области, среди институтов Сибирского отделения, наиболее эффективно сотрудничающих
с ОАО «НЗХК», признан Конструкторско-технологический институт научного приборостроения.
Сотрудники этих организаций в 2013 году были удостоены Государственной премии Новосибирской
области за создание и внедрение в производственные линии предприятия комплекса оптико-электронных
систем для автоматического бесконтактного контроля геометрических параметров элементов топливных
сборок реакторов типа ВВЭР.


Текущие результаты проекта:
Выполнены следующие работы:
1. Проведен поиск научно-технической информации по методам и устройствам контроля внешнего вида топливных таблеток, контроля дистанционирующих решеток, контроля топливных таблеток с измерением глубины дефектов и контроля внешнего вида оболочек ТВЭЛ.
2. Разработан метод обработки изображений торцевых частей топливных таблеток, основанный на выборе бездефектной части торца (затравка) и последующей заливке соседних с затравочными областями участков изображения, отличающихся в темную сторону не более чем на заданный порог. Таким образом, заливкой выделяется бездефектная часть торца, оставшиеся незалитыми участки считаются дефектами.
3. На основе предварительного анализа научно-технической и патентной информации определены основные методы контроля внешнего вида топливных таблеток (для обнаружения расколотых таблеток и их отбраковки на стадии предварительного контроля).
4. Проведены теоретические исследования оптико-электронных методов контроля дистанционирующих решеток (ДР) с целью создания высокопроизводительной системы контроля. На основе анализа современного состояния оптико-электронных измерительных технологий определено, что наиболее требованиям контроля ДР (сложного трехмерного объекта, состоящего из нескольких сотен ячеек ) отвечает метод структурного освещения, который подразумевает:
а) создание на контролируемой поверхности определенной световой картины (обычно: полос, матрицы точек, различные метки)
б) последующее проецирование на фотоприемник созданной световой картины
в) программную обработку изображений и вычисление геометрических параметров контролируемого объекта.
Важнейшей задачей при реализации метода структурного освещения является разработка объектива, формирующего плоские изображения ячеек. В связи с тем, что диаметр ячеек достаточно мал (Dh ≈ 9 мм), а их длина относительно большая (Lh ≈ 15 мм), использование стандартных объективов не представляется возможным. Поэтому для контроля ячеек ДР необходимо использовать специализированный объектив. Такой объектив, в отличие от стандартных объективов, имеет большую кривизну поля в пространстве объектов. Благодаря увеличенным аберрациям объектив формирует плоское изображение внутренних поверхностей отверстий в широком диапазоне их диаметров и длин. На основе проведенных теоретических исследований проанализированы изображающие свойства объектива, предложены модель построения оптической схемы таких объективов и подходы к улучшению характеристик существующих оптических схем. В результате рассчитан объектив, который планируется применить в оптической схеме высокопроизводительной системы контроля ДР. Готовится заявка на патент разработанной оптической схемы объектива.
5. На основе предварительного анализа научно-технической и патентной информации для последующих исследований выбраны методы определения глубины дефектов топливных таблеток: светового сечения, конфокальный.
6. В результате информационных и патентных исследований выделены основные методы обнаружения дефектов на поверхности оболочек ТВЭЛ. По итогам теоретических исследований методов для дальнейших исследований был выбран оптический метод обнаружения и локализации дефектов на поверхности оболочки ТВЭЛ, основанный на анализе неизотропности рассеяния света дефектом на контролируемой поверхности. Для использования выбранного метода контроля неплоских поверхностей необходимо определить адекватную оптическую систему регистрации и систему равномерного освещения. Для решения этой задачи были проведены теоретические расчеты с учетом требований к поперечному разрешению. Для повышения достоверности контроля была выбрана система многоканального осмотра с регистрацией прямого и обратного рассеяния света дефектами исследуемой поверхности.
7. Для создания экспериментальных образцов контрольно-измерительных систем проведен выбор и осуществляется закупка необходимых комплектующих и материалов в т.ч. металлопрофиля фирмы Festo, двухкоординатного столика, источников излучения, электронных компонентов, компьютеров.
8. Совместно с Индустриальным партнером выработаны технические требования к контролю внешнего вида топливных таблеток, ДР, топливных таблеток с измерением глубины дефектов и контролю оболочек ТВЭЛ. В настоящее время документы находятся на стадии согласования.
9. Проведена подборка представляющих интерес патентов (более 50 шт., глубина поиска 15 лет). Проводится анализ информации и оформление отчета о патентных исследованиях в соответствии с требованиями ГОСТа.