新技術(shù)監(jiān)控核廢料存儲(chǔ)英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室(NPL)是英國(guó)的國(guó)家計(jì)量部門，是一家由商業(yè)、能源和工業(yè)戰(zhàn)略部(BEIS)所有的公營(yíng)公司，負(fù)責(zé)制定和維護(hù)國(guó)家主要計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，提供國(guó)家計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施，并代表BEIS提供英國(guó)的“計(jì)量戰(zhàn)略”，提供國(guó)家所需的測(cè)量能力。

一、DIC技術(shù)應(yīng)用于核領(lǐng)域

NPL首席研究科學(xué)家Nick McCormick博士表示：“NPL致力于開發(fā)技術(shù)，以減少測(cè)量的主觀性誤差，并最大限度地減少人為因素影響。自動(dòng)化確保檢查員能夠?qū)Ｗ⒂跐撛陉P(guān)注的領(lǐng)域，并利用他們的技能有效地對(duì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估。”

今年，NPL向塞拉菲爾德有限公司部署了“高精度檢查系統(tǒng)”(HAIS)，對(duì)核廢料倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行定期檢查。

HAIS由NPL構(gòu)思設(shè)計(jì)，使用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)技術(shù)分析圖像集，并量化隨時(shí)間的變化。這種成像技術(shù)以前曾用于鐵路、航空航天和石油天然氣等行業(yè)，但是NPL表示，它特別適合于監(jiān)測(cè)不同材料的完整性和狀況，可以通過該技術(shù)檢查核材料的變化，比使用傳統(tǒng)方法靈敏度更高。

NPL解釋說，DIC通過創(chuàng)建小子集圖像集，在像素級(jí)別檢查兩個(gè)圖像。應(yīng)用x/y位移、應(yīng)變、剪切和曝光差異后，比較這些圖像的累積差異。

使用優(yōu)化技術(shù)，為圖像的每個(gè)小子集找到這些參數(shù)的最佳擬合，從而生成位移、應(yīng)變剪切和相關(guān)系數(shù)的完整測(cè)量。

NPL補(bǔ)充說，DIC測(cè)量的挑戰(zhàn)之一是控制攝像機(jī)的位置，以減少視差效應(yīng)，并提供攝像機(jī)充分可再現(xiàn)的位置和方向，允許DIC中斷部署。

二、應(yīng)用過程

DIC自20世紀(jì)80年代中期開始使用，經(jīng)過15年的發(fā)展，尤其是高分辨率成像和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，使其測(cè)量水平不斷提高。

DIC一直未廣泛推廣使用，在NPL推廣工作下，已確定該技術(shù)在各種土木工程結(jié)構(gòu)(如隧道和核存儲(chǔ))中的用途。

HAIS系統(tǒng)是一個(gè)精密的機(jī)器人平臺(tái)，可以用高質(zhì)量的圖像進(jìn)行高精度、可重復(fù)的圖像采集，因此可以用來檢查儲(chǔ)存中的核廢料產(chǎn)品。

多年來，封裝的廢物產(chǎn)品一直儲(chǔ)存在塞拉菲爾德有限公司現(xiàn)場(chǎng)，在未來十年，從乏燃料池和筒倉(cāng)回收，將產(chǎn)生更多的廢物。

隨著塞拉菲爾德有限公司發(fā)展成為核電廢物管理和修復(fù)場(chǎng)所，預(yù)計(jì)核廢料產(chǎn)品的范圍也將隨之增加。

為了安全儲(chǔ)存，必須對(duì)廢物儲(chǔ)存庫(kù)及其關(guān)鍵屬性進(jìn)行檢查。

然而，由于存儲(chǔ)庫(kù)中有數(shù)千個(gè)容器，提取和檢查這些容器單位非常耗時(shí)。

因此，需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量來證明存儲(chǔ)的安全性，一旦出現(xiàn)問題可以及時(shí)修復(fù)，同時(shí)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)工人輻射安全。

HAIS可以定期檢查低放射性廢物倉(cāng)庫(kù)，深度可達(dá)16米。HAIS將攝像頭垂直部署到檢查口，并在廢物倉(cāng)庫(kù)內(nèi)預(yù)設(shè)點(diǎn)拍攝一系列圖像。

塞拉菲爾德使用的HAIS系統(tǒng)是為這種特殊環(huán)境而設(shè)計(jì)的，在這種環(huán)境中，不可能使用WIFI，因此它是電纜操作，在組件之間使用數(shù)字傳輸。

當(dāng)環(huán)境無光照時(shí)，可以自己照明，并且能夠穿過16米深的環(huán)境，同時(shí)捕獲高質(zhì)量的圖像。檢查期間，HAIS使用DIC分析以前的圖像集，并量化隨時(shí)間的變化，包括腐蝕、移動(dòng)、振動(dòng)和進(jìn)水，分析出腐蝕、開裂和部件損失情況。然后可以突出顯示和監(jiān)控關(guān)注區(qū)域，或者進(jìn)行更仔細(xì)的檢查，因?yàn)槲恢靡褱?zhǔn)確記錄。

三、對(duì)于操作員的意義

操作員是HAIS系統(tǒng)的重要組成部分。

開發(fā)該系統(tǒng)是為了確定重大變化。通過只突出顯示那些發(fā)生重大變化的區(qū)域，而最重要的是，不向操作員顯示變化很少或沒有變化的區(qū)域，從而提高了檢查效率。

NPL表示，這意味著該系統(tǒng)能做計(jì)算機(jī)最擅長(zhǎng)的事情：識(shí)別變化。

然后，它讓人類操作員就變化的性質(zhì)和意義做出決定。這允許與當(dāng)前的安全案例進(jìn)行比較核對(duì)，需要熟練的檢查員確定，不需要無聊地調(diào)查沒有變化的區(qū)域。

使用機(jī)器學(xué)習(xí)的替代技術(shù)代替人工操作是可能的，但在實(shí)踐中，它們需要太多關(guān)于不同類型缺陷的數(shù)據(jù)，以允許可靠的檢測(cè)和對(duì)黑箱決策的信心。

部署HAI監(jiān)測(cè)和檢查核廢物儲(chǔ)存有許多優(yōu)勢(shì)，包括更好地了解儲(chǔ)存核材料的演變及其如何影響長(zhǎng)期安全儲(chǔ)存。

例如，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量材料的特性，可以更好地了解材料產(chǎn)生的熱量以及存儲(chǔ)系統(tǒng)需要承受的熱量。這些度量最終將支持存儲(chǔ)策略。

對(duì)于現(xiàn)有存儲(chǔ)，HAIS能夠更好地了解存儲(chǔ)環(huán)境如何在不同廢物包裝的一系列場(chǎng)景下發(fā)生變化。準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量增加了環(huán)境的可預(yù)測(cè)性，因此有助于推斷核廢料變化。

該系統(tǒng)還提供了監(jiān)測(cè)環(huán)境的工具，以提供與預(yù)測(cè)環(huán)境偏差的早期指示，包括溫度、濕度和氯化物。了解一系列產(chǎn)品的長(zhǎng)期最佳儲(chǔ)存條件，使系統(tǒng)能夠提供對(duì)影響存儲(chǔ)設(shè)計(jì)和改善現(xiàn)有存儲(chǔ)條件至關(guān)重要的信息。

四、廣泛的應(yīng)用塞拉菲爾德核電現(xiàn)場(chǎng)的燃料儲(chǔ)存池

在其他土木工程結(jié)構(gòu)中使用DIC的歷史和經(jīng)驗(yàn)有助于指導(dǎo)NPL開發(fā)和測(cè)試HAIS系統(tǒng)，包括公路和鐵路結(jié)構(gòu)、石油和天然氣工廠，但一些測(cè)量方法更加多樣化——NPL表示，它甚至使用DIC技術(shù)來測(cè)量工廠生產(chǎn)線的巧克力凝固情況。

顯然，部署HAI也有不同的選擇，例如持續(xù)監(jiān)控或定期檢查，這取決于被監(jiān)控對(duì)象的性質(zhì)。

NPL已經(jīng)展示了一種可供選擇的固定攝像機(jī)，該攝像機(jī)可以間歇進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)控屬于英國(guó)環(huán)境署的資產(chǎn)。

NPL還在開發(fā)DIC應(yīng)用程序，在沿著軌道移動(dòng)時(shí)捕獲鐵路隧道壁上的數(shù)據(jù)，最新研發(fā)結(jié)果是使用移動(dòng)電話內(nèi)的攝像頭進(jìn)行可重復(fù)測(cè)量，可用于監(jiān)控船舶防水壁等。

NPL表示，這兩種策略都是可行的，但一般來說，對(duì)于像塞拉菲爾德那樣需要間歇性監(jiān)控的大量重復(fù)對(duì)象，最好使用可以移動(dòng)的單一設(shè)備。

HAIS系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是什么?

使用DIC有望提高整個(gè)塞拉菲爾德公司現(xiàn)場(chǎng)效率，因?yàn)樗軌驒z測(cè)到非常小的變化，并且比使用傳統(tǒng)的手動(dòng)檢查技術(shù)要快得多。

通過HAIS啟用的檢查和測(cè)量技術(shù)，在黑暗環(huán)境中使用現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)，在那里沒有傳統(tǒng)的通信信道或電源，并允許檢測(cè)意外退化的跡象。

此外，NPL指出了測(cè)量的客觀性質(zhì)，以及遠(yuǎn)程記錄數(shù)據(jù)的能力，數(shù)據(jù)可以存檔。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，不同的檢查員有助于提高測(cè)量質(zhì)量，消除主觀和系統(tǒng)偏差。節(jié)約檢查員的時(shí)間。

塞拉菲爾德有限公司高級(jí)技術(shù)經(jīng)理羅伯特·伯納德博士說：“塞拉菲爾德有限公司很高興致力于引進(jìn)新技術(shù)，以支持我們降低國(guó)家委托的特殊核材料儲(chǔ)存風(fēng)險(xiǎn)的使命。NPL等科學(xué)組織與我們合作，確保我們?cè)诓渴鸷舜鎯?chǔ)技術(shù)安全方面處于領(lǐng)先地位。”