作为美国国家核安全管理局（NNSA）减少民用武器级高浓铀（HEU）燃料使用任务的一部分，NNSA材料管理和最小化转换计划正与六座美国高性能研究反应堆（USHPRR）合作，包括一个临界设施，将从使用 HEU 转换为低浓铀（LEU）燃料。USHPRR 的转换目标是开发 LEU 燃料元件设计，以确保反应堆的安全运行并维持现有实验设施的性能。这项工作通过许多相互关联的活动进行，这些活动由跨组织的利益相关者完成。

在 USHPRR 项目的反应堆转换（RC）支柱中，包括麻省理工学院反应堆（MITR-II，也称为 MITR）在内的四座 USHPRR 已经完成了初步燃料元件设计，使用了提议的铀 - 10% 钼单体合金（U-10Mo）。MITR 的初步燃料元件设计和安全分析已经完成。这项工作依赖于由 USHPRR 项目的燃料鉴定（FQ）、燃料制造（FF）和 RC 支柱生产的燃料系统的初步数据，包括性能、特性和制造公差。

MITR 的 HEU 燃料元件已经使用了几十年，性能出色。MITR 的 LEU 燃料元件设计包括 19 块燃料板（与 HEU 元件的 15 块相同燃料板相比）。MITR 的 LEU 燃料板的包壳表面没有鳍片，其厚度从 HEU 板的 60 密耳（鳍片尖端到鳍片尖端为 80 密耳，1 密耳 = 0.001 英寸）减少到 49 密耳。LEU 元件设计被命名为 FYT，因为设计了三种不同的燃料芯厚度（F-全厚、Y-中间厚和 T-薄），以减少功率峰值。每块板的整体厚度相同。由于燃料系统的改变，为了保持反应堆设施的等效性能，提议的 LEU 核心功率从 HEU 核心的当前许可功率 6 兆瓦增加到 7 兆瓦。为了增加热量移除并保持足够的安全裕度，LEU 反应堆核心的主要冷却剂流量比 HEU 核心增加了 20%，从 2000 加仑/分钟增加到 2400 加仑/分钟。燃料板厚度的变化和流量的增加，使得 MITR LEU 燃料板从水力机械稳定性角度来看，条件比 HEU 燃料板的条件更不利。

为了进行转换，RC 支柱将对 MITR LEU 燃料元件进行水力性能评估。MITR LEU 燃料元件水力性能评估的目的是测试一个原型商业制造的 LEU 燃料元件，以确定在反应堆名义条件范围内的流动条件下，燃料元件是否出现任何故障模式，包括显著变形，如板弯曲、扭曲或板从侧板上脱落。评估将通过堆外流量测试和辅助分析相结合的方式进行。

原型 MITR LEU 燃料元件的流量测试将在俄勒冈州立大学（OSU）水力机械燃料测试设施（HMFTF）进行，目前正在进行这项活动的规划工作。MITR LEU 燃料元件的概念性流量测试设计已经最终确定。设计的概念阶段主要包括对反应堆的水力设计参数的审查、对测试期间监测板位移的潜在适用传感器类型的审查，以及为 MITR LEU 燃料元件量身定制的原型测试装置设计的开发。

一、引言

1.1 MITR LEU燃料元件概述

麻省理工学院反应堆（MITR-II，也称为 MITR）低浓铀（LEU）燃料元件设计包含19块燃料板，相比之下，高浓铀（HEU）元件有15块相同的燃料板。MITR LEU燃料板的包壳表面没有鳍片，其厚度从HEU板的60密耳（鳍片尖端到鳍片尖端为80密耳，1密耳=0.001英寸）减少到49密耳。LEU元件设计被命名为FYT，因为设计了三种不同的燃料芯厚度（F-全厚、Y-中间厚和T-薄），以减少功率峰值。每块板的整体厚度相同，F、Y和T板的U-10Mo燃料芯厚度分别为0.025英寸、0.017英寸和0.013英寸。内部通道间隙的名义厚度为0.0746英寸。外部通道间隙的厚度根据元件在堆芯中的位置而变化。对于面向堆芯外壳臂的元件，外部通道的名义厚度为0.0706英寸。对于在堆芯中面对面的两个元件，其外部通道的共享通道厚度为0.1412英寸。考虑到燃料元件和堆芯外壳尺寸的公差，这个共享通道间隙的厚度可能达到0.247英寸（更多细节请参见第5.1.1节）。

1.2 流量测试目标

提议的LEU燃料元件设计的实验需求主要包括在全元件层面进行的两大组成部分：由反应堆转换（RC）支柱主导的水力性能评估和由燃料鉴定（FQ）支柱主导的辐照测试。

RC支柱设计的MITR LEU燃料元件的水力性能评估的目的是在堆芯流动条件下测试一个原型商业制造的LEU燃料元件。评估将确定是否在燃料元件中观察到任何故障模式，包括在反应堆名义条件范围内的流动条件下，燃料板弯曲、扭曲或从侧板上脱落等显著变形。评估将通过堆外流量测试和辅助分析相结合的方式进行。尽管需要存在这些故障模式的裕度，但测试并非旨在使LEU燃料元件失效（失去完整性或出现大的变形）。为了证明这些裕度的存在，考虑了在燃料元件数量及其方向方面最具限制性的MITR堆芯配置。

MITR LEU燃料元件设计的水力性能评估的另一个组成部分包括计算分析（包括计算流体动力学[CFD]和流体 - 结构相互作用[FSI]），这些分析旨在指导测试的某些方面（例如，仪器布置）并提供与实验观察互补的数据（例如，灵敏度研究）。

需要注意的是，作为FQ支柱监督的MITR设计演示元件（DDE）辐照测试的一部分，将在USHPRR项目中进行单独的流量测试。MITR DDE采用了与LEU端部配件不同的端部配件设计，以便在辐照测试期间检查通道。DDE流量测试的目标仅是确保实验载体在测试反应堆中的安全性。MITR DDE将在比利时的比利时测试反应堆BR2中进行辐照。该实验将达到或超过每种燃料板类型的峰值裂变密度。MITR DDE端部配件的修改形状意味着这些测试中的流量条件并不代表从燃料元件的水力机械稳定性角度来看最具限制性的配置。

1.3 流量测试初步设计目标

在MITR LEU燃料元件流量测试概念设计[2,3]中，已经实现了以下目标：

MITR LEU燃料元件流量测试初步设计是这些活动的延续，为此定义了以下目标：

二、传感器测试

2.1 引言

在流量测试概念设计阶段[2,3]，已经对用于监测燃料板在水动力载荷下的结构响应（变形和振荡）的传感器进行了初步审查。此外，已经识别出可能对MITR LEU燃料元件流量测试有用的传感器，并提出了一个测试矩阵，旨在评估这些传感器。在流量测试初步设计中，根据流量测试和设施要求，进一步细化了这些传感器的选择。选择了以下传感器进行评估：

之前OSU没有的传感器已经采购，并执行了多步评估。评估包括以下步骤：

24英寸×0.050英寸]的比例相似，以确认测量平板的小变形（约1密耳）的能力， c. 在相同的夹紧装置内进行动态拨动测试，以表征仪器的动态响应。

对传感器的主要要求是，它们能够在流动条件下解析小（约0.001英寸）的燃料板变形。然而，每个选定用于此次评估的传感器在与流量测试载体（篮子）和HMFTF测试部分集成方面都有不同的要求。还讨论了将每个传感器与MITR LEU流量测试集成的潜在挑战。需要注意的是，尽管在考虑三个NRC监管的反应堆（MITR、密苏里大学研究反应堆[MURR®]和国家标准局反应堆[NBSR]）的情况下进行了传感器的审查，但由于燃料元件的结构不同以及对限制性平板的直接访问，为一个反应堆选定的传感器可能不适用于另一个反应堆。将分别发布报告，涉及剩余两个反应堆（MURR和NBSR）的流量测试初步设计的传感器测试和其他方面。

2.2 燃料板变形仪器概述

2.2.1 电感涡流传感器

选择了Micro-Epsilon公司生产的电感涡流传感器（型号：eddyNCDT 3070，见图2.1）。OSU人员在寻找适合在HMFTF测试部分内部使用的防水和温度等级合适的传感器时遇到了困难[8]；然而，该仪器的规格表明，它能够在这些条件下生存。该仪器的非常精细的分辨率和线性度规格（见表2.1）是其被选中的主要驱动因素。尽管它是一种非接触式仪器，但其测量范围有限，其感应端可能需要在流量测试期间部分突出到元件子通道中。

图2.1. Micro-Epsilon eddyNCDT 3070。

表2.1. eddyNCDT 3070传感器的规格。

在初始测试后，发现该传感器的防水等级仅适用于传感器的前部，而不适用于仪器后部的电缆接头。此外，无法获得具有更长电缆尾部的该仪器，以便将连接器安装在HMFTF测试部分外部。由于这些原因，该仪器被移除出进一步的评估和流量测试。

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2.2.2 点激光传感

Keyence公司生产的红色点激光传感器（型号：LK-H152，见图2.2）被纳入此次评估。它由一个传感器头和一个单独的控制器机箱组成，该控制器机箱允许通过网络连接或模拟输出通道与传感器配置和测量数据输出进行交互。该传感器头的规格见表2.2，其测量范围的说明见图2.3。该传感器的性能，由其范围、准确性和非常高的采集率定义，符合此次测试计划的需求。

图2.2. Keyence LK-G5000点激光传感器头。

表2.2. Keyence LK-H152点激光的规格。

图2.3. Keyence LK-H152激光测量范围的示意图。

2.2.3 激光轮廓仪传感器

除了上述点激光外，Keyence公司生产的蓝色激光轮廓仪传感器（型号：LJ-X8200，见图2.4）也被纳入此次测试范围。轮廓仪在一条线上测量3200个点的位移，该线的宽度在其测量范围内变化，如图2.5所示。其他重要的测量规格见表2.3。与点激光系统类似，轮廓仪由一个测量头和一个单独的控制器机箱组成，以便对系统进行配置和数据记录。该系统允许进行更复杂的检查功能，并且可以直接测量燃料板在流动下的形状，而不是单点变形测量。

图2.4. Keyence LJ-X8200激光轮廓仪头。

图2.5. Keyence LJ-X8200激光测量范围的示意图。

表2.3. Keyence LJ-X8200轮廓仪的规格。

2.2.4 带有内窥镜的机器视觉系统

对可能适用于此次测量应用的高速摄像机进行了简要调查。很快发现，能够从任何合理距离（鉴于HMFTF布局和USHPRR燃料元件的形状）分辨1密耳变形的高分辨率摄像机非常难以找到，如果能找到，价格将非常昂贵。关注点转向寻找现成的、更高分辨率的摄像机系统，特别关注机器视觉系统。在探索的系统中，选择了Keyence CV-X系统，带有CA-HF2100M摄像机，见图2.6。摄像机的一些相关规格见表2.4。

图2.6. Keyence CA-HF2100M机器视觉系统，带有镜头和照明条。

表2.4. Keyence CA-HF2100M机器视觉系统的规格。

CV-X系统由摄像机、镜头（CA-LHE50）、控制器机箱、照明控制器模块和线性照明条组成。由于HMFTF测试部分内的空间有限[8,9]，不太可能使用附带的镜头或照明进行流量测试；然而，它们应该在设备的初始设置和人员熟悉设备时非常有用。镜头的尺寸被调整为当摄像机的视野为4×4英寸时，提供大约1密耳的像素分辨率。在最坏的情况下，这可能允许将摄像机安装在HMFTF测试部分的适当位置的观察窗上，并观察元件的入口或出口，以便观察燃料板。

使用机器视觉系统的主要好处之一是摄像机系统能够存储其空间校准数据，并配置自动化检查工具，以便系统直接输出诸如燃料板边缘位置或通道间隙厚度等指标。这将最小化从图像/视频文件中提取所需测量值的后处理量。

为了更好地定位摄像机的视野，采购了一个可以连接到Keyence摄像机的刚性内窥镜系统。Gradient Lens公司的内窥镜系统组件如图2.7所示。采购的内窥镜是Hawkeye Hardy Pro，外径为1/4英寸，长度为22英寸，并且具有高温组件选项，以便在目前考虑的三个反应堆的操作条件下应用，根据与制造商的讨论。该内窥镜的尺寸允许通过标准管接头进行安装。连接镜头允许将内窥镜目镜连接到摄像机，并且通常的电池供电、便携式光源被替换为功率更大的Luxxor 35光源。升级后的光源不仅消除了在测试过程中电池耗尽的潜在问题，还提供了更多的光线和更精细的光线控制。这在HMFTF中非常重要，因为设施管道内将没有环境光线，并且几乎所有表面都至少会有一些反光。

图2.7. Hawkeye Hardy Pro内窥镜。

2.2.5 线性可变差分变压器（LVDT）传感器

最后选定用于评估的仪器与其他仪器不同，因为它需要与感兴趣的平板保持物理接触。LVDT以其高灵敏度、准确性以及在恶劣条件下用于位移测量的悠久历史而著称。LVDT的缺点是需要持续的物理接触，并且可能对燃料元件内的流动引入干扰。Trans-Tek公司提供了其型号234-0000的仪器，并进行了一些修改（线圈的防水处理和机身的通风），以便在HMFTF设想的MITR LEU流量测试的温度和压力下运行。该仪器如图2.8所示，相关规格见表2.5。需要设计一个系统，以确保LVDT的延伸杆与感兴趣的平板保持接触并且正确对齐。然而，与之前讨论的所有仪器相比，将这些仪器集成到HMFTF管道中不需要对管道进行物理修改。

图2.8. LVDT传感器Trans-Tek 234-0000，带有芯轴和延伸杆。

表2.5. LVDT传感器Trans-Tek 234-0000的规格。

理论上，由于这种仪器的结构，其分辨率是无限的，仅受用于数据采集的电子设备的限制。该传感器将与PXIe-4340位移输入模块配对，该模块具有24位分辨率，并且能够以超过25 kHz的采样率进行采样。该模块的准确性规格见表2.6。

表2.6. LVDT传感器PXIe-4340的准确性。

2.3 燃料板变形实验设置

初始测试使用量块和静态测试台完成。对于这个相对简单的测试，将量块放置在花岗岩表面上，传感器从花岗岩表面移动到量块表面，以观察读数的跳跃。在完成量块测试后，工作转向使用平板夹紧装置进行实验。该装置用于在空气中和水下进行测试。随后在耐力流量环路（EFL）中开始流量测试，该环路有一个专门为此次工作范围设计的专用测试部分和燃料板夹持装置。在EFL流量测试期间，还在校准台上进行了工作，该台允许更精细地表征仪器行为以及开发校准过程。

2.3.1 平板夹紧装置

设计了一个用于“大”平板的夹紧装置，该装置允许使用千分头对平板施加已知的静态变形。该装置是基于之前在GTPA[10]中的经验设计的，由以下部件组成：

该夹紧装置如图2.9所示，千分头从平板上缩回并可见。千分头被安装在一个靠近平板前缘的位置，该位置被用于光学仪器，因为在这个位置没有顶带会遮挡仪器对平板表面的视野。在需要直接安装到硬件上的仪器的位置下还有一个千分头的安装位置。

图2.9. 平板夹紧装置。

该硬件还用于在玻璃水箱中进行水下测试，平板和仪器被浸没在水中（激光传感器没有被浸没）。在实际的HMFTF或EFL流量测试中，激光传感器需要通过观察窗观察测试部分管道。为了模拟这种设置，在测试中在空气/水界面处悬挂了一块硼硅酸盐玻璃。

还构建了一个龙门架，以允许将激光传感器和摄像机定位在相对于测试表面的各种位置和角度。图2.10所示的龙门架没有安装任何仪器，并且被放置在最初测试阶段使用的花岗岩表面平板上方。然后将该龙门架放置在大型平板夹紧装置和水箱上方，用于测试计划的每个步骤。

使用千分头施加变形的过程如下（参见图2.11）：千分头缓慢地与平板下侧接触，导致图中心所示的“初始变形”。从这一点开始，在千分头上调入0.001英寸的变形，这个变形被用于比较。需要注意的是，这是一个使用模拟千分头的手动过程，因此在施加的变形中不可避免地会有一些小的变异性。

图2.10. 台架测试龙门架。

图2.11. 千分头变形过程。

2.3.2 耐力流量环路

与HMFTF相比，EFL是一个相对较小的流量环路。然而，它能够在缩小比例的实验中达到代表性的速度，同时在比迄今为止在HMFTF中进行的大多数测试更低的压力和温度下运行。它之前已经在MITR LEU流量测试概念设计[3]中被描述过。

为此次工作范围的要求，设计并建造了一个新的EFL测试部分管道。这个新的测试部分包括一个长的入口段，以确保在实验入口处实现完全发展的流动。它还包括在测试部分的顶部/出口附近的各种端口，以允许使用和测试第2.2节中概述的各种位移仪器，如图2.12a所示。仪器端口包括：

图2.12c中展示了安装并指向燃料板夹持装置的点激光传感器的观察窗的特写视图。LVDT安装在测试部分内的燃料板夹持装置的对面，并在名义上相同的位置进行测量。图2.12b的剖面图展示了在EFL测试部分可以安装内窥镜的两个方向。这些角度（30°和60°）被选择是为了涵盖未来在HMFTF中对LEU元件进行流量测试时可能使用的实际安装角度范围。

图2.12. 测试部分管道：(a) 安装在EFL上的测试部分视图，(b) EFL测试部分管道剖面图，(c) 测试部分光学窗口。

该测试部分的设计允许从一侧安装LVDT，并在另一侧为激光访问设置一个窗口，以便同时测量单个平板在流动下的相同变形，如图2.13a和图2.13b所示。图2.13c展示了装配入口处的视图，LVDT安装在一侧，激光窗口在另一侧。图2.13a还展示了一个围绕LVDT传感器的支架（用红色标记），该支架旨在支撑LVDT移动部件的张紧系统。LVDT的芯轴在仪器主体内自由浮动，延伸杆伸出进入流动中，并且必须与平板保持接触以获得准确的测量结果。在许多应用中，这是通过将延伸杆拧入被研究物品上的孔来实现的。由于以下原因，这种方法的连接对于本次工作范围并不理想：

图2.13. EFL平板夹持装置：(a) LVDT侧视图，(b) 光学侧视图，(c) 装置入口视图，(d) LVDT张紧硬件。

由于这些原因，OSU开发了一个系统，用于评估LVDT的弹簧张紧装置的效率，该系统包括：支架（参见图2.13a）、肩部定位螺钉和张紧弹簧。这个修改后的螺钉和弹簧部分安装在LVDT中（没有燃料板夹持装置，以便更容易看到），如图2.13d所示。弹簧在LVDT内部与LVDT芯轴本身接触，螺钉末端加工有肩部。这个螺钉穿过燃料板夹持装置上的张紧支架，并允许调整施加到弹簧的预载荷。LVDT安装和预张紧机制的剖面图如图2.14所示。测试将尝试评估这种仪器安装方法是否能够使LVDT的滑动部件与平板紧密耦合，如果是，需要多大的弹簧预载荷才能获得可靠的测量结果。为了验证弹簧预载荷对平板行为没有显著影响，还进行了测试，将LVDT延伸杆固定在测试平板上（没有弹簧预载荷）。

图2.14. LVDT安装和预张紧机制（图2.13a的剖面图）。

2.3.3 校准台

本工作范围的另一个组成部分是将选定的仪器完全纳入OSU科学与工程 - 热工水力（OSU-NSETH）质量保证计划。作为这项工作的一部分，开发了一个专用的校准台（参见图2.15），用于精细表征和校准变形仪器。

如图2.15所示，光学燕尾滑动装配安装在测试表面的两侧，LVDT（或激光）安装在左侧，数字指示器安装在右侧。数字指示器（Mitutoyo ID-H0530E）作为校准标准，通过直接测量测试表面的垂直位移，并允许与被测试的仪器进行比较。该数字指示器的额定精度为1.25 µm（0.049密耳），并在OSU-NSETH质量计划内作为质量仪器进行维护。

图2.15b展示了安装了LVDT的台，并且使用了与EFL测试相同的弹簧张紧系统，以精细表征弹簧在LVDT主体内存在对仪器输出的影响。

图2.15. 校准台：(a) 概览，(b) 特写视图。

2.4 燃料板变形仪器评估

2.4.1 量块和花岗岩表面测试

对变形仪器的台架测试从将仪器安装在花岗岩表面平板上开始，并使用量块评估仪器对从安装在龙门架上的传感器到其下方表面的距离变化的响应。应该观察到与量块厚度相等的读数的突然变化。用于此项工作的量块均符合美国机械工程师协会（ASME）B89.1.9 0级标准，因此对于使用的量块尺寸，其精度为±0.000006英寸。为此测试使用了多种量块。然而，本节讨论的数据仅涉及使用以下量块的测试：0.020英寸、0.021英寸和0.022英寸高。

2.4.1.1 点激光传感器

使用点激光对0.020英寸量块的测量数据显示，每个数据集的中位数很好地落在1密耳范围内，而0.021英寸量块的数据仅略差，其中一个样本明显异常，当时测试时没有明显的解释。然而，0.022英寸量块的数据明显更差，中位数范围大约为2.5密耳。所有测试的激光传感器都表现出一种“特征表面光洁度噪声”，后来发现这种噪声是可重复的，而不是随机噪声。这一发现令人担忧，因为流量测试的目标是能够分辨由于流动导致的平板1密耳的变形。在各种光照条件下对传感器进行测试，并没有揭示结果的显著变化。进一步对数据采集频率的测试显示，由于采样率增加而引入的噪声应该非常低。总体而言，点激光的性能是足够的，并且被推进到测试的下一个阶段。

2.4.1.2 激光轮廓仪传感器

随后的测量由激光轮廓仪在花岗岩表面和量块上进行。测试的花岗岩表面平板符合ASME B89.3.7-2013 A级标准，其18英寸×24英寸表面上的整体平面度规格为0.15密耳，重复读数规格为0.06密耳。来自轮廓仪的扫描结果显示的测量结果表明，该表面的高度变化比表面平板校准所反映的要大得多。尽管有足够的空间平均化，点激光能够准确测量量块的高度，然而，在非常精确、平坦的表面上的测量仍然存在太多的变化。这些数据显示量块表面本身在0.35英寸宽的量块上变化了近9密耳，这是不现实的。尽管这种水平的性能可能不符合项目目标，但希望加入曲线拟合或空间平均化可能会使仪器的性能达到可接受的水平，并且它被推进到测试的下一个阶段。

2.4.1.3 LVDT传感器

通过将LVDT安装在其夹紧装置中，然后手动抬起延伸杆，将量块放置在仪器下方，然后手动将延伸杆放回原位来进行LVDT的测试。初步测试揭示了在使用此过程时重复测量存在相当大的变异性，这值得进一步探究。发现LVDT芯轴和主体之间的相对较大空间允许芯轴有显著的角运动，使其与主体不平行。通过将量块放置在LVDT下方并手动来回滑动，同时LVDT正在记录数据，评估了这种自由度。这种运动可以在没有任何沿实际测量轴的测试表面运动的情况下，导致大约±0.65密耳的偏转。这一发现推动了在后续测试阶段为延伸杆设计额外支撑组件。通过简单地将延伸杆抵靠静态表面并获取数据半分钟多一点来探索仪器的一般稳定性和分辨率。即使在有荧光灯的实验室中暴露于未屏蔽的电线，噪声水平也非常低，分辨率似乎优于0.01密耳。根据这些结果，它被推进到测试的下一个阶段。

2.4.2 平板夹紧装置 - 空气和水中测试

测试的下一个阶段涉及使用位于跨度中心的千分头对沿其长边夹紧的铝制测试平板进行弯曲。这一实验设置在第2.3.1节中进行了更详细的描述。这一阶段的初步测试包括直接在空气中的台架上使用平板夹紧装置。在此阶段的测试中，评估了第2.2节中确定的所有仪器。

2.4.2.1 点激光

点激光在三个完整的弯曲循环中进行了测试，每个弯曲状态下分别进行了三次10秒、1 kHz采样的单独数据采集。该仪器被证明非常稳定，并且如图2.16所示，与平板约1密耳的弯曲有很好的一致性。千分头与平板初次接触时，测量到的变形约为0.4密耳。根据这一性能，很明显点激光应该进入下一个测试阶段。

图2.16. 点激光在空气中测量静态平板变形的示例。

在水中进行的弯曲测试的数据如图2.17b所示，与在进行水下数据采集之前获取的空气数据（如图2.17a所示）形成对比。这些数据集之间的几个差异是显而易见的。首先，当平板被浸没在大约3.25英寸深的水中时，指示的变形值减少了约30%。这与水对这种测量装置的影响预期非常接近。其次，水的加入还增加了读取手动千分头刻度以精确调入1密耳变形的难度。第三，几个数据集显示出数据分散度增加。怀疑这是由于水中的气泡或悬浮的小颗粒暂时干扰了激光光束路径。支持这一结论的是，数据集中的中位数和第一四分位数不受噪声的影响。尽管如此，异常值的增加及其分散度是显著的。此外，这一问题似乎间歇性出现，并没有均匀影响所有数据集。

图2.17. 点激光在(a) 空气中和(b) 浸没在3.25英寸深的水下测量的对比。

为了进一步探索这一现象，分别在让水静置并静止后以及在水仍然运动时搅拌水后获取了更多数据。在静止水和浑浊水测量的箱线图中，中位数和第一、第二四分位数几乎相同。唯一的影响似乎是数据集中的异常值分散度增加。虽然这种行为并不理想，但事实是除了数据集中的异常值外，仪器的功能似乎没有受到影响，这是令人鼓舞的。由于数据集中位数未受影响，该仪器可以继续考虑用于下一个阶段的测试。

2.4.2.2 激光轮廓仪

在空气中对激光轮廓仪进行了多次完整的弯曲循环测试，系统在测试中达到初始接触点时被“归零”。在测量数据中仍然明显存在“特征表面光洁度噪声”，导致测量值变化高达约±0.6密耳，如图2.18所示。

图2.18. 激光轮廓仪在空气中测量静态平板变形的示例。

在水下测试中，激光轮廓仪表现出与点激光相似的行为。然而，当引入水中时，它显示出明显较低的准确性。数据读数的分散度增加了超过一个数量级。此外，这种行为不能通过时间平均多次测量来轻易缓解，如在点激光中观察到的那样。鉴于这些情况，能够可视化平板轮廓的感知优势并没有超过与该仪器相关的额外挑战。因此，激光轮廓仪在此时被排除在测试计划之外。

2.4.2.3 LVDT

使用平板夹紧装置在空气环境中对LVDT进行了测试，进行了多次测试运行，每次涉及3次弯曲，如图2.19所示。在该图中所示的图表中，记录了在1密耳弯曲期间的位移变化以及测量的弯曲值（以密耳为单位）。在6次弯曲中，获得的值范围为0.920到0.964密耳，提供了非常好的结果，并深入了解了该测量系统的分辨率能力。

鉴于仪器的卓越性能水平以及从其在表征非常小的位移方面的广泛历史中获得的信心，决定继续使用该仪器进行测试。基于制造商的规格和使用历史，假设只有光学仪器会受到添加浸没的影响。因此，省略了该传感器的水下静态测试。然而，如第2.4.4节所述，在EFL中进行了带有该传感器的水下流量测试。

图2.19. LVDT在空气中测量静态平板变形，(a) 测试1，(b) 测试2。

2.4.2.4 电感传感器

电感涡流传感器的测试方式与LVDT类似，每次测试运行包含3次弯曲。如图2.20所示，测试过程中在每个位置获取了离散的数据样本，并在图表中包括了对应于1密耳弯曲的数据集之间的中位数变化。

图2.20. 电感传感器在空气中测量静态平板变形，(a) 测试1，(b) 测试2。

该仪器具有高达50 kHz的采样率和高精度，如图所示，因此被选中进入下一个测试阶段。在这个阶段，其唯一的限制是相对较小的测量范围，可能导致潜在的流动干扰，以及较短的集成电缆，可能需要在HMFTF测试部分安装连接器，除非可以获得具有更长电缆的定制仪器。

在准备进行水下测试时，联系了仪器供应商以澄清仪器规格，并询问在未来的使用中是否可以增加仪器上集成电缆的长度。在审查这些信息的过程中，发现该仪器的压力等级仅适用于传感器的前部。传感器后部的电缆出口没有任何压力或防水等级。由于这一事实，该仪器必须被移除出考虑范围。

2.4.2.5 机器视觉系统

为了进行此次测试，将机器视觉系统与内窥镜组装在一起，而不是使用附带的镜头，因为使用镜头将无法将相机定位在视野中，使其测量分辨率足够高以分辨所需的1密耳平板变形。内窥镜的刚性要求它必须通过HMFTF测试部分管道直线安装，因此，它无法安装得使相机能够正对平板端部。由于目前还不清楚将用于3个不同反应堆的确切测试部分管道、元件和内窥镜的方向，因此决定在平板前缘的广泛离平方形视图范围内对系统性能进行表征。此处报告的测试中的内窥镜对齐角度定义如图2.21所示。图2.22展示了两个相关测试的结果。

图2.21. 内窥镜对齐角度。

在几个视图角度处数据分散度的增加值得进一步探究，通过检查每种配置的静止图像捕获，发现照明在平板边缘处造成了眩光，这些眩光与数据分散度的增加相吻合，导致边缘检测算法在平板进出造成眩光的位置时偶尔失效。添加了一个带有光源但没有相机的第二个内窥镜，这有助于缓解但并未完全消除这一问题。一般来说，在以下条件下可以获得该传感器的更好性能：

尽管存在这些挑战，该系统还是被推进到下一个阶段，即在水中进行测试。然而，水下测试引入了大量的测量分散度，严重削弱了其准确性。因此，与激光或LVDT相比，该位移监测系统明显不可靠。因此，不建议将其作为MITR LEU燃料元件流量测试的潜在选项进行进一步评估。

图2.22. 带有内窥镜的机器视觉系统在空气中测量静态平板变形，(a) 平板上边缘，(b) 平板下边缘。

2.4.3 校准台

如前所述，校准台的设计和采购是为了允许开发选定仪器的校准过程，以及对遇到的任何仪器性能问题进行精细表征。在这一点上，只有LVDT和点激光传感器仍在考虑范围内，并且这一测试与EFL流量测试同时进行。

2.4.3.1 点激光

点激光的测试集中在评估仪器在空气中的准确性，同时避免在初始使用量块进行测试时观察到的特征表面光洁度噪声。测试包括将激光安装在校准台的表面平板上方，然后在平板移动约10密耳时获取距离测量值。结果表明，激光在实验室特定条件下测试的系统不确定性显著小于1密耳。

2.4.3.2 LVDT

LVDT在校准台上的测试集中在表征在流量测试中压缩弹簧的影响。已经知道，LVDT主体内的弹簧存在会对仪器输出产生影响。在MITR LEU燃料元件在HMFTF流量测试期间预期的非常小的平板变形下，LVDT主体内的弹簧圈变化不会很大。因此，仪器的线性度不应受到显著影响。测试包括将仪器安装在校准台上，弹簧放置在LVDT内部，然后在平板移动约10密耳时获取距离测量值。这在多个弹簧预压缩量下重复进行。

结果表明，由于预张紧变化导致的LVDT测量的不确定性在校准台实验室特定条件下测试时，在10密耳移动范围内，当接近LVDT测量范围的中间时，小于10%。

2.4.4 EFL流量测试

对潜在仪器在HMFTF流量测试中的适用性的最终阶段测试是在耐力流量环路（EFL）上进行的，如第2.3.2节所述。根据测试中使用的测试平板厚度，此测试分为两个阶段进行。首先使用0.016英寸厚的平板，然后测试转向0.032英寸厚的平板。尽管此测试平板仍比MITR燃料平板薄，但其跨度也略短于MITR平板。这两个几何因素结合在一起，确保了弯曲刚度更代表MITR燃料平板。薄平板的行为明显受到LVDT延伸杆中预张紧力的影响。这种力引起的初始变形进入较薄通道足够大，以至于它随后导致平板在水力载荷下继续向较薄通道变形。这一结果偏离了预期行为，因为通常，通道厚度变化导致的压力差会使平板的前缘向较厚通道变形。因此，省略了薄平板（0.016英寸厚）的测试结果，此处仅讨论0.032英寸厚平板的测试结果。薄平板的测试结果可以在[11]中找到。

图2.23展示了EFL平板夹紧装置入口的视图，每个流动通道都标有标签，并且映射了LVDT和点激光报告的偏转数据的极性与物理变形方向。此映射将适用于本节中呈现的所有数据。

图2.23. EFL测试中的测量极性。

到目前为止在EFL中使用较厚（0.032英寸）平板进行的所有流量测试的结果如图2.24和图2.25所示。左侧的图表包含误差条，而右侧的图表中移除了误差条。请注意，误差条代表数据集围绕平均值的标准差，并非仪器的计算测量不确定性。此外，请注意，在每种测试设置中，应用弹簧载荷后将读数设置为零。随后，在流量增加然后再次减少回零时进行读数。在某些情况下，在流量恢复到零时记录了约0.5密耳的非零位移读数。

观察到此测试平板的行为与预期（与薄平板相比）显著一致，前缘向较大通道偏转，并且随着流量增加，偏转方向没有变化。总体而言，LVDT和点激光在整个流量测试过程中对应数据点的平均值几乎完全一致。LVDT传感器图表中的误差条相当窄，在最高流量下约为±0.5密耳。在所有数据集中，点激光传感器在每个数据集的平均值周围显示出显著更多的数据变化。即使在最低流量下，误差条也约为±1.0密耳。

图2.24. 厚平板EFL测试结果，LVDT；(a) 带误差条的数据，(b) 不带误差条的数据。

需要注意的是，当从弹簧预载系统切换到固定的LVDT延伸杆（无弹簧预载）时，观察到总测量变形略有减少。红色/橙色数据集是在使用固定延伸杆但没有聚四氟乙烯（PTFE）支撑塞（在图表中标记为“固定”）的情况下获取的。支撑塞确实会在大通道中提供一个小的突出部分，造成轻微的流动阻碍，并且可能会引起一些局部效应，这些效应不容易被预测。在观察到这些结果后，再次进行了测试，包括支撑塞（黑色数据集在图表中标记为“固定带支撑塞”）。这导致测量变形的幅度略有增加，使结果更接近弹簧加载测试结果。请注意，由于拆卸和重新组装可能导致的小变化也可能会影响如此小的变形。尽管如此，1.2磅的预张紧力被确定为足够使杆保持与平板的不间断接触，同时对平板变形的影响最小。总体而言，LVDT传感器表现良好，即使在较低流量下，也能分辨出由于压力差导致的平板非常小的变形，这些流量导致的变形约为1密耳。

对不同平板配置的测试数据进行了移动窗快速傅里叶变换（FFT）分析：一个具有最低弹簧预载，另一个具有最大弹簧预载，以及一个固定延伸杆。目的是调查与LVDT相比，点激光观察到的较大标准差的原因。LVDT的FFT结果表明缺乏连贯的频率响应以及数据的小标准差，这表明它不受系统、平板夹持装置或平板振动的影响。相比之下，点激光FFT显示出多个高振幅振动带，其频率峰值随着流量瞬态清晰地增加。这些尖锐的频率峰值与控制主泵的变频驱动器（VFD）的输出频率密切相关。数据中的其他频率峰值随时间（或流量）变化不大，因此不太可能是由平板振动引起的，更可能是代表环路管道/结构中的共振。

图2.25. 厚平板EFL测试结果，点激光；(a) 带误差条的数据，(b) 不带误差条的数据。

EFL设置的振动很可能是由于缺乏坚固的基础来抑制泵引起的振动，这种情况在结构更坚固的OSU HMFTF中可能不那么明显。然而，需要通过测试来验证这一假设。尽管如此，可以得出结论，激光传感器可能比LVDT传感器更容易受到测试系统的影响。

表2.7列出了所有测试的传感器以及对未来在MITR LEU（或其他USHPRR燃料元件）流量测试中使用的建议。根据本节中呈现的结果，还列出了每个建议的简要理由。根据进行的评估，两种传感器适用于在HMFTF进行MITR LEU燃料元件流量测试：点激光和LVDT。

表2.7. 在MITR LEU燃料元件流量测试中使用位移监测传感器的建议。

表2.8包含了LVDT和点激光传感器优势的总结。LVDT传感器的测量精度和数据变化明显优于点激光。它能够检测到由于水动力载荷导致的平板0.001英寸的目标变形。由于其尺寸小，可以轻松地与MITR LEU燃料元件的测试载体（篮子）集成。可以沿元件长度安装多个这样的传感器。使用它不需要对OSU-HMFTF的测试部分进行修改。将LVDT传感器集成到篮子中可以减少设施对位移读数的影响。与激光相比，LVDT的唯一优势是它们对平板施加小力以保持接触，并且对流动造成阻碍。这些效应将通过第5节中介绍的分析进一步研究。然而，如本节前面所述的具有不同预张紧力和无预张紧力的测试表明，这些力的影响很小。因此，推荐使用LVDT传感器进行MITR LEU燃料元件的流量测试。

表2.8. LVDT和点激光在MITR LEU流量测试中使用的优点比较。

三、HMFTF中的MITR LEU模拟流量测试（孔板流量测试）

本章简要概述了在俄勒冈州立大学（OSU）水力机械燃料测试设施（HMFTF）进行的MITR LEU模拟流量测试（孔板流量测试）工作。这些测试的目的是确保HMFTF能够在MITR元件流量测试活动中所需的测试范围内运行。特别关注的是，与HMFTF之前的测试工作相比，MITR反应堆的较低运行温度能够在所需的时间内保持。

流量测试采用逐步增加流量率的模式，直至目标流量率（见表3.1），同时尽量保持系统静压和流体温度恒定。系统压力尽可能保持在150 psi左右，温度接近MITR的平均冷却剂温度。随后，流量缓慢增加至反应堆名义流量的120%[2]，步长约为10 gpm。达到高流量设定点后，尽可能保持条件不变，至少持续30分钟。这一条件代表了HMFTF冷却要求的最坏情况，因此，如果能够在30分钟或更长时间内成功保持条件，则认为实际的反应堆LEU元件流量测试条件应该能够轻松实现。MITR的结果如下所述，首先提供孔板尺寸工作的详细信息，然后是流量测试的结果。

阿贡国家实验室（Argonne）提供的MITR水力特性已在[2]中记录，并总结在表3.1中。这些值用于根据ISO 5167-2:2003计算孔板尺寸，该计算已在[12]中记录。模拟MITR LEU燃料元件水力特性的孔板直径计算结果为1.970英寸。孔板设计为安装在HMFTF盲法兰元件上，该设计已在[13]中记录。图3.1显示了MITR孔板。

表3.1. MITR水力反应堆设计参数。

图3.1. (a) 在OSU HMFTF进行的替代压力降测试的孔板，(b) 安装孔板的盲法兰元件。

图3.2展示了MITR替代流量测试的数据概览。在最初的220分钟内（图中未显示），水的温度和压力被提升至目标水平（见表3.1）。在开始流量测试（从220分钟开始），系统流量率从名义值40 gpm增加至超过150 gpm，然后保持恒定至少30分钟。在此测试期间，系统压力保持在146.5至148.5 psi之间，系统温度维持在116.6至117.6°F之间。关于此次流量测试的更多细节可以在[14]中找到。

图3.2. MITR替代流量测试中的关键指标。

最重要的是，图中右下角显示了测试段入口温度。在大部分测试过程中，温度控制较为容易。只有在最后阶段，保持高流量条件时，温度控制变得更加困难。观察到的“锯齿形”轮廓是由于主回路加热器的开 - 关循环引起的，这是由于无法在亚千瓦范围内控制加热器。在最小加热功率下，回路中的温度缓慢上升，而加热器完全关闭时，温度则缓慢下降。尽管存在这一困难，但整个测试期间温度被控制在1°F以内，这足以维持一致的冷却剂特性，以满足MITR LEU燃料元件流量测试的要求。

四、MITR LEU模拟元件在MITR测试载体原型中的适配测试

流量测试初步设计的目标之一是制造测试载体的原型（在此称为“篮子”），以及全铝的MITR LEU燃料元件模拟件，并对元件进行适配测试。为了满足在OSU的HMFTF进行的流量测试目标，针对MITR LEU流量测试篮子的设计，在概念流量测试设计阶段[3]确定了多个要求和设计约束。在该阶段结束时，发布了一套初步图纸（修订版0），主要关注LEU燃料元件和篮子本身的名义尺寸。在加工篮子原型之前，考虑了LEU元件和篮子尺寸的公差，并且在不影响其整体功能的情况下，对设计进行了几次更新（图纸修订版1）。根据这些更新后的图纸加工了篮子原型。最显著的变化是增加了围绕元件在篮子中的间隙（在燃料板区域，即沿轴向包含燃料板的部分）。这样做的目的是防止元件通过其侧板与篮子内壁接触，只允许通过端部配件接触。这些间隙中的流动受到篮子端盖的形状和密封端盖与燃料元件端部配件之间空间的O形圈的显著限制。然而，这些间隙的大小在MITR堆芯中可能出现的间隙范围内。此外，这一变化对燃料板的变形影响不大。

燃料元件（无论是HEU还是LEU）的直线度在燃料元件图纸中没有定义（也不是必需的）。通过增加元件周围的间隙，也降低了元件在篮子中意外夹紧的风险。

另一个变化是在篮子主体和篮子端盖之间增加了间隔垫片。为了适应燃料元件可能的各种长度，并避免由于尺寸公差累积导致元件在轴向上意外夹紧，向篮子设计图纸的修订版1中增加了0.031英寸的垫片。在篮子的每个端部设计了两个垫片。

在加工篮子原型时，位移传感器测试仍在进行中。篮子的概念设计设想了激光传感器的观察窗或另一种传感器的端口突出到流动空间中，具体取决于最终选择的传感器。这些只是设计中的占位符，因此原型测试载体是根据这些更新后的图纸加工的，没有任何开口。

篮子在阿贡国家实验室定制制造解决方案 - 中央车间（CMS-CS）加工。全铝的MITR LEU模拟元件（ML-D003）在麻省理工学院机械车间制造。图4.1展示了篮子与模拟元件的初步组装。最终组装和元件定位在OSU的HMFTF进行。

图4.1. MITR流量测试篮子组件与MITR LEU燃料元件模拟件。

适配测试的主要目的是确保：

图4.2. 部分组装的MITR流量测试篮子，显示定位特征。

在HMFTF的组装过程中，首先将篮子的两个主体部分用螺钉组合在一起，形成篮子的两层之一。两个部分最初通过定位滚销进行对齐。虽然在此适配测试中使用了更多的销钉，但每个表面通常只需要两个销钉（通常彼此对角放置）。这些仅用于正确对齐部件，使用每个表面超过两个销钉可能会导致元件过度约束，使拆卸变得困难。为了便于这些部件的重复安装和拆除，在测试适配硬件时，端盖没有被固定在篮子主体上。然而，这一步将在实际流量测试中执行。随后，将两根螺纹杆穿过下端盖，然后穿过篮子主体。

为了避免在多次调整定位螺钉时损坏铝制篮子，在安装定位螺钉之前，安装了不锈钢螺旋线程插入件（称为螺旋弹簧）。定位螺钉随后安装在由螺旋弹簧提供的螺纹内，而不是铝制材料内，以防止其过度磨损。

在随后的步骤中，将元件降低到篮子中，并安装了定位螺钉（但未拧紧），这些螺钉旨在将元件固定到位，同时允许调整其在篮子中的对齐。根据设计，沿元件的六个轴向位置有六个弹簧加载定位螺钉（推杆）和两个球头刚性定位螺钉（见图4.2、图4.3和图4.5，了解定位螺钉孔的位置）。

首先，使用垫片临时固定元件的暴露顶部，以使元件在篮子内保持方正。元件的前面（暴露在篮子的大通道中）使用0.035英寸的垫片材料插入元件侧板和篮子之间（见图4.4a），在元件的两侧各使用0.028英寸的垫片材料（见图4.4b）。垫片较短，不会干扰用于元件定位的定位螺钉。

图4.4. 使用垫片初步定位燃料元件在篮子中的位置。

元件的背面没有使用垫片，然后拧紧篮子顶部的定位螺钉，直到它们与元件接触。然后将弹簧推杆定位螺钉回退约1/4圈。然后使用通道间隙探针（CGP）[15]测量每个通道极端边缘的外通道间隙厚度，测量位置大约在篮子主体上边缘以下2英寸处。随后，调整顶部一圈定位螺钉，尝试将两个通道间隙极端边缘更好地对齐，并再次测量间隙厚度。然后将硬件平放，拆除下端盖，以便接触元件的另一端，如图4.5和图4.6所示。

图4.5. MITR LEU全铝模拟元件在测试载体中的定位。

图4.6. MITR LEU全铝模拟元件在测试载体中的定位，上端（左）和下端（右）端部配件的视图。

按照上述顶部元件的描述过程，对底部进行相同的操作，并在设置底部定位螺钉后重新测量顶部通道间隙。然后将所有剩余的定位螺钉与元件接触（并将弹簧推杆定位螺钉回退约1/4圈），重新安装底部端盖，并将组件重新竖起。随后，使用CGP在每个通道极端边缘沿整个通道高度进行一次完整的扫描，如图4.7所示。

图4.7. 使用CGP测量最外层通道间隙厚度。

图4.8展示了这些测量的数据。根据这些测量结果，最外层通道的厚度从0.218英寸变化到0.250英寸，钝角侧的平均通道厚度为0.229英寸，锐角侧为0.240英寸，整体平均值为0.234英寸。考虑到篮子和元件制造及组装的公差，实现的通道尺寸被认为是可接受的。需要注意的是，这些数据中的一些变化可能是由于缺乏专用的CGP导向块造成的，这将为探针提供更大的稳定性。计划为实际流量测试设计这样一个导向块，以便在通道的边缘和中心进行测量。

图4.8. 安装MITR LEU全铝模拟元件后，最外层通道间隙厚度的测量结果。

作为对篮子尺寸的额外检查，测量了篮子内部空间的宽度。这是图4.9中的2.611英寸尺寸，在组装好的篮子的两端进行了验证。其测量值见表4.1。所有四个测量值均表明，篮子入口和出口附近的内部空间接近名义尺寸（2.611英寸）。

图4.9. 测试载体的截面图。

表4.1. 测量的篮子腔体宽度（名义值为2.611英寸）。

在完成CGP测量后，安装了三个顶部垫片，并将O形圈安装到顶部端盖中（见图4.10）。然后将顶部端盖放置到位，并将O形圈与元件接触。最后，拧紧穿过主体的两根螺纹杆，以确保所有部件完全接触（见图4.11和图4.12）。

图4.10. 在篮子端盖中安装O形圈。

在进行了几次测试组装和拆卸循环后，检查了MITR元件模拟件，以查看处理元件或篮子硬件是否对其造成任何影响。此次检查的唯一观察结果是元件与篮子中的定位螺钉接触处的表面有划痕，但没有发现任何会改变元件性能的异常情况。

图4.11. 完全组装的MITR流量测试篮子，带有全铝模拟元件。

图4.12. 完全组装的MITR流量测试篮子，带有全铝模拟元件，显示定位螺钉。

在完成适配测试后，对篮子设计进行了评估，以确定是否需要进一步修改。基于测试结果和研究人员的反馈，对篮子设计进行了以下修订：

这些修订旨在提高篮子在实际流量测试中的性能和可靠性，同时确保测试结果的准确性和可重复性。修订后的篮子设计将用于后续的流量测试活动，以验证其在模拟MITR堆芯流动条件下的适用性。

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