电磁检测与设备性能安全评估团队：为核燃料包壳做“多参数体检”

阅读提示：本文约 1700 字

导语

核燃料包壳薄而关键，是包容裂变产物、防止放射性物质外泄的第一道安全屏障。如何不破坏样品，就看清它在服役中的细微变化？

研究背景

燃料组件作为核反应过程能量释放的关键部件，主要由燃料棒、支撑组件和核燃料包壳等组成，如图1所示。核燃料包壳是核电站第一道安全屏障，不仅能够包容裂变产物，防止放射性物质外泄，还可以释放热能，保持燃料元件形状并提供结构强度。在反应堆苛刻冷却剂环境中，包壳管表面会逐渐氧化。氧化膜增厚增加热阻，基体变薄削弱承载能力，电导率变化又与吸氢状态相关。

三项参数共同反映包壳的传热、结构和材料状态，是安全与寿命评估的重要依据。传统破坏性分析不便于在役检测，涡流检测虽非接触、灵敏、响应快，但常规单频方法依赖标定样品，难以从同一组信号中分开多个参数。

图 1 核燃料包壳管

论文所解决的问题及意义

涡流检测技术蕴含丰富的异质膜参数信息，为多参数的解耦与量化提供可能。然而，多层异质膜的存在会影响电磁场的分布与传播特性，两者之间的相互作用机制目前尚不明晰。开发核燃料包壳异质膜壁厚及其电磁参数在线高精度量化表征技术，为腐蚀评估、脆性断裂风险预警与寿命管理提供更完整的数据基础。是保障核电安全运行的关键难点和亟待解决的问题。

论文方法及创新点

硬件上，团队将平面阵列沿厚度方向重新组织，设计了由三个同轴线圈组成的“一激双收”叠阵传感器。中间线圈激励，上下线圈接收，可从同一次扫频中获得互补的厚度方向信息，如图2所示。

图2 叠阵涡流检测实验系统

算法上，建立包壳管异质膜电磁解析理论模型，提出结合表观电磁特性的分频段参数反演方法，如图3所示。第一步，基于趋肤效应，利用高频响应识别氧化膜厚度；第二步，采用两个接收线圈的低频互感比值反演包壳厚度；第三步，把前两步结果作为先验，通过低频测量结果反演电导率。从而将上述强耦合的多变量问题，拆解成三个更稳定的单参数反演问题。

图3 包壳管异质膜参数解耦测量方法

传统的包壳膜层检测方法主要基于单频涡流检测提离的思想对包壳氧化膜层厚度进行测量，且多层异质膜结构中所存在的多参数耦合效应将会对高精度壁厚和电磁特性表征带来挑战。本研究从解析理论模型出发，探索多尺度涡流传感器所感应的涡流渗透深度和流动范围，根据表观电磁特性，分析不同激励频段下各膜层壁厚和电磁特性与多尺度传感器响应信号特征关系，从而实现包壳异质膜的多参数解耦测量。

结论

本文针对核燃料包壳管在役检测中氧化膜与基体参数强耦合、难以同步定量表征的工程难题，提出了一种基于同轴叠阵涡流传感器的多频多参数解耦检测方法。

研究表明，该方法突破了传统平面阵列涡流在厚度方向信息获取能力的局限，通过构建轴向分布的“一激双收”叠阵结构，充分利用高频与低频段下涡流趋肤效应的差异，实现了氧化膜厚度、包壳壁厚及电导率三个关键参数的非接触式同步解耦测量。实验结果表明该方法具有抗干扰能力强、无需破坏性取样且平均相对误差低于3.5%的显著优势。

团队介绍

“电磁检测与设备性能安全评估”团队近五年负责并完成了国家自然科学基金重点项目、国家重大仪器设备开发专项项目、国家重点研发计划项目等二十余项以解决金属构件内外腐蚀缺陷及结构完整性评价相关理论与技术问题为目标的科研项目。

在团队负责人黄松岭教授的带领下，在高温高压试件腐蚀缺陷在线无损检测与监测、阵列涡流检测与反演量化方法、电磁无损检测设备研发等方面均拥有扎实的理论研究基础和丰富的项目实践经验。基于上述研究成果，团队共发表SCI论文200余篇，授权国内外发明专利100余件，出版专著12部，获北京市技术发明一等奖、北京市科技进步一等奖、湖北省技术发明一等奖、福建省科技进步一等奖等省部级科研奖励10余项。

本工作成果发表在2026年第13期《电工技术学报》，论文标题为"核燃料包壳管多层异质膜叠阵多频涡流检测方法"。本课题为国家自然科学基金、博士后资助计划和博士后基金资助项目。

引用本文

黄璞, 韩正, 彭丽莎, 闻映红, 黄松岭. 核燃料包壳管多层异质膜叠阵多频涡流检测方法[J]. 电工技术学报, 2026, 41(13): 4434-4445. Huang Pu, Han Zheng, Peng Lisha, Wen Yinghong, Huang Songling. A Multiple-Frequency Eddy Current Testing Method for of Multi-Layer Heterogeneous Membrane Stacks Measurement in Nuclear Fuel Cladding Tube. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(13): 4434-4445.