基于高光谱成像的核材料及核废料包装腐蚀检测

基于高光谱成像的核材料及核废料包装腐蚀检测2023年12月5日，英国《卫报》援引官方文件称，塞拉菲尔德核设施中负责储存有毒放射性废料的储存库早在2019年就出现了裂缝，已造成“潜在性严重后果”。英国思克莱德大学的Haime Zabalza等人近期通过使用高光谱成像方式采集塞拉菲尔德核电站存储中水平放射性废物和特殊核材料容器的光谱数据，提出腐蚀指数“CI”的概念，对容器进行无损检测，分析腐蚀程度，有助于其他核电站和相同钢制材料的维护。在英国坎布里亚郡的塞拉菲尔德核电站，工程师们会将中水平放射性废物和特殊核材料储存在地面上的不锈钢包装或容器中，数千枚将预计将储存几十年，然后在特殊设施中永久处置。在此中间储存的过程中，包装或容器容易受到腐蚀，这可能会破坏其结构的完整性，导致泄露。因此，需要进行长期监测。在这项工作中，高光谱成像（HSI）将作为无损检测不锈钢表面腐蚀的工具。而之前的大部分研究使用的实验室产生的样品，因此无法代表真实的腐蚀。使用来自塞拉菲尔德的真实样品，包括来自塞拉菲尔德大气测试腐蚀测试场的1.4404不锈钢（称为316L）和2205板，这些样品放置于1991年，用来模拟最差环境下放射性废物与核材料容器的状况。样品照片高光谱成像仪使用的为来自美国Headwall公司的可见光近红外波段传感器（400-1000nm ，型号Micro Hyperspec VNIR E，sCMOS探测器，1600空间像素）与短波红外波段传感器（900-2500nm，型号Micro Hyperspec  SWIR640，斯特林制冷MCT探测器，640空间像素），根据观察到的光谱响应，引入并评估了称为腐蚀指数（CI）的新概念来估计腐蚀图。高光谱图像中的每个像素都会被赋予一个介于 0 和 1 之间的值，旨在表示样品给定位置的腐蚀强度。 结果表明，高光谱与我们提出的 CI 腐蚀指数分析相结合，可有效用于自动检测放射性废物与核材料容器的腐蚀。Headwall高光谱成像光谱仪下方为采集锈钢样品的高光谱图像，用来评估光谱响应程度，316L的不良试样（“316Ld”）是一块奥氏体不锈钢板（35×20 cm），在塞拉菲尔德的大气腐蚀现场暴露了四年。这个样本最初分布在四个仍然清晰可见的区域（a）和（b）。目视检查显示存在一些具有明显可见腐蚀的特定区域，以及无腐蚀背景。实验中还使用了2个不锈钢2205级双相样品（c）和（d）。其中一个是对照样本（“对照2205”，20×20 cm），它已经在塞拉菲尔德的室内储存了29年。另一种是暴露样品（“暴露2205”，“20×20 cm），在塞拉菲尔德大气腐蚀测试现场暴露29年后，暴露的样品在其表面有几个腐蚀点。另一个令人感兴趣的样本是名为“316L过滤器”的样本（f）,（ 2×2 cm）.该样品是从塞拉菲尔德提供的一个更大的（未使用的）316L过滤片中提取。这种过滤器配置通常出现在许多（可透气的）容器顶部。与本研究中评估的其他样品不同，316L过滤器呈现出实验室诱导的腐蚀，并将其纳入分析，以与在真实/现场样品中观察到的腐蚀进行比较。样品表面的几个腐蚀和无腐蚀区域。最后，名为“覆盖”的样本（h），高32 cm，直径16cm。是一个316L的不锈钢覆盖罐，其中的底座呈现的腐蚀。这种腐蚀是由于在实验室条件下暴露于聚氯乙烯所致。目视检查显示了横跨罐的底部可能的不同的腐蚀阶段，因此对这个特定样品的基础成像的兴趣。样品的腐蚀区域和光谱响应基于观测到的光谱响应，引入了一个新的概念，称为腐蚀指数（CI），并对其进行了评估，并生成腐蚀图。a和b是CI校准的两个系数，这些系数实现了对ACD值的重新映射，并将它们转换为CI量表（CI∈[0,1]）。重映射值起着关键作用，必须根据先验知识进行适当的调整，其中a系数和b系数分别代表一种特定材料对应的无腐蚀和高级腐蚀的理想ACD值。使用CI指数分析，高光谱图像中的每个像素都赋有一个介于0和1之间的值，旨在表示给定样品的腐蚀程度。结果表明，HSI与我们提出的CI指数分析技术相结合，可以用于放射性废物与核材料容器腐蚀的有效自动检测。图像光谱响应基于CI计算后图像显示结论：储存在塞拉菲尔德核基地的不锈钢容器会在表面产生腐蚀点，这些容器在塞拉菲尔德的地面上储存了几十年，会受到腐蚀，特别是大气的腐蚀。近年来，人们提出了几种用于金属腐蚀的图像无损检测技术，可用于这些放射性废物与核材料容器的长期监测。高光谱技术比传统成像具有更高的光谱分辨率，之前几乎没有人以此方式进行研究，使用高光谱技术采集了从塞拉菲尔德来的真实样品的图像，并报告了两个不同光谱区域不同情况下的腐蚀光谱响应（VNIR 400-1000nm和SWIR900-2500nm）。基于不同腐蚀阶段的光谱响应的演化，提出了一个新的概念，即高光谱图像中的每个像素分别给予一个从0到1之间的值，表示从无腐蚀到严重腐蚀的程度，称为腐蚀指数（CI）。CI指数分析技术要求通过先验知识进行校准，使用给定材料的腐蚀和无腐蚀的光谱响应作为参考，之后即可以应用于相同材料的样品进行腐蚀的无损检测。论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=10254651