视觉检测新技术攻克核燃料芯块测量难题

近期，一项关于核燃料芯块自动化非接触测量技术的研究成果，正式刊发于中国计量测试学会主办的《计量学报》。这套由中国计量大学与中核建中核燃料元件有限公司联合攻关的系统，将二维轮廓成像与三维点云扫描融合到一个工位上，一次就能完成9类关键几何参数的检测——听起来是不是有点意思？它直接解决了传统检测损伤工件、效率偏低、参数不全这些老问题，为核电燃料智能制造提供了高精度的计量新方案。

在“双碳”目标倒逼能源转型的背景下，国内核电建设持续提速。二氧化铀核燃料芯块作为反应堆的核心部件，它的尺寸精度直接关系到装配间隙、传热效率乃至长期运行安全。但传统生产靠的是游标卡尺、位移计这些接触式设备，还得在不同工位上分段检测。一个不小心就会划伤芯块表面，人工操作的一致性也参差不齐，检测节拍还慢。至于现有的视觉检测方案？大多只能测量柱面或端面的单一区域，没法同步获取完整的三维形貌。行业内长期缺少一套集成化的高精度检测装备。

文章第一作者、中国计量大学现代科技学院副教授张新娜道出了攻关的初衷：核燃料芯块微米级的严苛公差、特殊的凹陷端面结构，再加上量产无损检测的需求，正是团队联合中核企业开展攻关的出发点。

具体怎么做的呢？团队创新搭建了一个二维远心成像与线激光三维扫描协同的硬件平台，配套自主开发的C#上位机控制系统。这个系统设了三种工作模式：独立二维检测、三维扫描、全尺寸联合检测。好处是啥？不用反复装夹，就能一次性采集柱面和端面的全部几何数据。二维检测模块采用了亚像素轮廓提取算法，能精准捕捉直径、高度、倒角、垂直度；三维模块则独创了几何邻域筛选点云精简算法，在保留碟形关键特征的前提下，削减了70%的冗余数据——这样一来，碟形直径、深度、肩宽的运算速度大幅提升。

实测性能怎么样？常规检测单件耗时6秒（仅测柱面参数），包含三维形貌扫描的全尺寸检测大约18秒，端面尺寸测量精度优于±0.02毫米。重复性实验显示，标准块的直径、高度测量标准偏差稳定控制在5微米以内。模拟批量随机上料测试中，全部参数波动都满足核电制造IT5高精度公差标准。这个表现，足够让人放心了。

这套系统依托国家相关项目支持，从理论推导、软硬件搭建到实物全流程验证，已经彻底摆脱了传统接触式检测的局限。同时，它兼顾了无损、高速、高精度这三大核心需求。张新娜透露，这套一体化视觉检测系统已经落地中核建中核燃料元件有限公司的检测生产线。团队后续还会优化设备定位鲁棒性、简化标定流程，进一步提升点云处理速度和系统检测效率。

新技术落地后，核燃料元件的规模化、高质量智能制造有了更可靠的计量支撑，也为我国核电长期安全稳定运行筑牢了精密检测的根基。从这个角度看，这不仅是技术上的突破，更是一把打开未来核电安全大门的钥匙。