DE2643664C2

DE2643664C2 - Device for the localization of substances in a body with a weakly magnetic base material

Info

Publication number: DE2643664C2
Application number: DE2643664A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. 8520 Erlangen Voigt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-28
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1984-05-17
Also published as: DE2643664A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lokalisievon Substanzen in einem Körper, dessen schwachmagnetisches Grundmaterial eine gegenüber dem Substanzmaterial verschiedene magnetische Suszeptibilität aufweist, mit einer Magnetanordnung zur Erzeugung eines annähernd senkrecht zur Längsrichtung des Körpers gerichteten Magnetfeldes, mit Mitteln zum Führen des Körpers relativ zu der Magnetanordnung, mit einem magnctfcldempfindlichcn Detektor, der die durch die Magnetisierung der Substanzen hervorgerufene Änderung des Magnetfeldes mißt, und mit einschließlich einer Versiärkeranordnung zur Verarbeitung der mit dem Detektor gewonnenen Meßsignalc.The invention relates to a device for localizing substances in a body, the weak magnetic base material of which is opposite to the substance material having different magnetic susceptibility, with a magnet arrangement for generating a magnetic field directed approximately perpendicular to the longitudinal direction of the body, with means for guiding of the body relative to the magnet arrangement, with a magnetfcldsensitive detector which detects the Magnetization of the substances induced change in the magnetic field measures, and with including one Versiärker arrangement for processing the measurement signal obtained with the detector.

Entsprechende Körper können beispielsweise Brennstäbe für Kernreaktoren sein. Ein Reaktorbrennstab enthält im allgemeinen als Grundmaterial reines Uranoxid (UO2) in Tablettenform. Solche Uranoxid-Tabletten haben beispielsweise einen Durchmesser und eine Höhe von jeweils 1 cm und sind innerhalb eines dünnwandigen Rohres aus Zirkon mit geringen Legierungszusätzen zu einem Stab von einigen Metern Länge hintereinander angeordnet.
Soll ein Reaktor im sogenannten stationären Zustand betrieben werden, so muß die bei den Spaltungsvorgängen in seinem Kern auftretende Neutronenrate konstant bleiben, d. h. jeder Spaltprozeß muß gerade ein Neutron erzeugen, das seinerseits einen weiteren Spaltprozeß auslöst. Diese sogenannte Neutronenroultiplika-'■ion ist dann also gerade 1. In thermischen Reaktoren, deren Spaltprozesse hauptsächlich durch thermische Neutronen erfolgen, ist im allgemeinen jedoch die Rate an erzeugten spaltbaren Atomen kleiner als die Rate an vernichteten Atomen. Somit nimmt auch die Zahl der Neutronen des spaltbaren Materials ab. Darüber hinaus wirken zusätzlich noch einige der bei den Spaltvorgängen auftretenden Spaltprodukte wie Xenon oder Samarium als Neutronenabsorber. Um dieser Neutronenabnahme entgegenzuwirken, muß ein Reaktorkern anfänglich einen Oberschuß an Brennstoffmaterial enthalten, was mit einem Überschuß an Reaktivität verbunden ist. Unter der Reakävität eines Reaktors ist dabei das Verhältnis von prozentualer Änderung der effektiven Neutronenmultiplikation zum Anteil der verzögerten Neutronen zu verstehen. Eine Regelung des Reaktors erfolgt nun dadurch, daß man die Reaktivität ändert Sobald der gewünschte Zustand des Reaktors erreicht ist, d. h. der Reaktor eine gewünschte Leistung abgibt, wird die Reaktivität zu Null gemacht. Der Reaktor bleibt von diesem Moment an im stationären Zustand. Zur Regulierung der Reaktivität des Reaktorzustandes, d. h. zur Beeinflussung der Neutronenmultiplikation, sind entsprechende Maßnahmen erforderlich. Ein bekanntes Regulierungssystem enthä.¹- beispielsweise eine Vielzahl von Regulierungsstäben aus neutronenabsorbierenden Materialien, die mechanisch in den Reaktorkern zwischen die Stäbe mit dem spaltbaren Material eingebracht werden können. Bei einem weiteren Regulierungssystem ist vorgesehen, das Spaltmaterial von vornherein mit solchen neutronenabsorbierenden Zusätzen zu versehen, beispielsweise durch einen entsprechenden Überzug oder durch eine Dotierung. Der Aufwand an mechanischen Hilfsmitteln zur Steuerung eines Reaktors ist bei diesem zweiten Regulierungssystem geringer, da es halbautomatisch arbeiten kann.Corresponding bodies can be, for example, fuel rods for nuclear reactors. A reactor fuel rod generally contains pure uranium oxide (UO2) in tablet form as the basic material. Such uranium oxide tablets have, for example, a diameter and a height of 1 cm each and are arranged one behind the other within a thin-walled tube made of zirconium with a small amount of alloying additions to form a rod a few meters in length.
If a reactor is to be operated in the so-called steady state, the neutron rate occurring in its core during the fission processes must remain constant, ie each fission process must just produce one neutron, which in turn triggers another fission process. This so-called neutron multiplication is then just 1. In thermal reactors, the fission processes of which are mainly carried out by thermal neutrons, however, the rate of generated fissile atoms is generally lower than the rate of destroyed atoms. Thus, the number of neutrons in the fissile material also decreases. In addition, some of the fission products that occur during the fission process, such as xenon or samarium, also act as neutron absorbers. To counteract this decrease in neutrons, a reactor core must initially contain an excess of fuel material, which is associated with an excess of reactivity. The reactivity of a reactor is to be understood as the ratio of the percentage change in the effective neutron multiplication to the proportion of delayed neutrons. The reactor is now regulated by changing the reactivity. As soon as the desired state of the reactor is reached, ie the reactor is delivering a desired output, the reactivity is reduced to zero. From this moment on, the reactor remains in the steady state. Appropriate measures are required to regulate the reactivity of the reactor state, ie to influence the neutron multiplication. A well-known regulatory system contains ¹ - for example a large number of control rods made of neutron absorbing materials, which can be mechanically inserted into the reactor core between the rods with the fissile material. In a further regulating system, provision is made for the gap material to be provided with such neutron-absorbing additives from the outset, for example by means of a suitable coating or doping. The cost of mechanical aids to control a reactor is less with this second control system, since it can work semi-automatically.

Ein geeignetes Dotierungsmaterial für das spaltbare Grundmaterial Uranoxid (UO2) ist beispielsweise Gadoliniumoxid (Gd2C>3). Ein dotierter Reaktorbrennstab kann deshalb neben den reinen Uranoxid-Tabletten auch Tabletten enthalten, die mit zwei bis drei Gew.-% Gadoliniumoxid dotiert sind. Diese Tabletten müssen in dem Brennstab so angeordnet sein, daß sie innerhalb eines Kernreaktors in dessen heißen Kern zu liegen kommen. Außerhalb dieses Bereiches dürfen keine gadoliniumoxidhaltigen Tabletten vorhanden sein.A suitable doping material for the fissile base material uranium oxide (UO2) is, for example, gadolinium oxide (Gd2C> 3). A doped reactor fuel rod Therefore, in addition to the pure uranium oxide tablets, it can also contain tablets containing two to three% by weight Gadolinium oxide are doped. These tablets must be arranged in the fuel rod so that they are within of a nuclear reactor come to rest in its hot core. Outside of this range, no gadolinium oxide-containing Tablets should be present.

Es sind deshalb besondere MeßvorriehUingen erförderlich, mit denen die gadoliniumoxidhaltigcn Tabletten innerhalb eines Reaktorbrennstabes lokalisiert werden können. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus μ der US-Patentschrift 37 K7 7bl bekannt. Ihr Meßverfahren beruht auf einer Kraftmessung. Dabei wird das (icwichl des Brennstoffmaterials innerhalb eines von außen angelegten Magnetfeldes im Verhältnis zu dem Ge-Special measuring devices are therefore necessary with which the tablets containing gadolinium oxide are localized within a reactor fuel rod can. Such a device is known, for example, from US Pat. No. 37 K7 7bl. Your measuring method is based on a force measurement. The (icwichl of the fuel material within an outside applied magnetic field in relation to the

wicht des Brcnnstoffmaterials ohne Magnetfeld gemessen. Die in dem äußeren Magnetfeld hervorgerufenen Kräfte sind jedoch verhältnismäßig gering im Vergleich zu dem Gewicht des gesamten Reaktorbrennstabes. Die Lokalisierung der magnetischen Substanzen innerhalb des Brennstabes ist dementsprechend ungenau.weight of the fuel material measured without a magnetic field. However, the forces generated in the external magnetic field are relatively small in comparison to the weight of the entire reactor fuel rod. The localization of the magnetic substances within of the fuel rod is accordingly inaccurate.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE-PS 9 57 384 bekannt. Diese Vorrichtung dient zum Aufsuchen von insbesondere ferromagnetischen Fremdkörper π wie Nadeln, die sich in Stoffbahnen befinden. Hierzu wird die laufende Stoffbahn in mechanische Schwingungen versetzt.A device of the type mentioned is known from DE-PS 9 57 384. This device is used to search for ferromagnetic foreign bodies in particular π such as needles that are located in webs of material. For this purpose, the moving fabric web is set into mechanical vibrations.

Ein unter oder über der Stoffbahn befindlicher Impulskopf, mit dem ein senkrecht zur Längsachse der Stoffbahn gerichtetes Magnetfeld erzeugt wird, ruft beim Passieren eines in der schwingenden Stoffbahn befindlichen eisenhaltigen Fremdkörpers in seiner Detektorspule Spannungsimpulse hervor, die an einen Verstärker weitergeleitet werden. Abgesehen davon, daß mechanisch empfindliche Reaktorbrennstäbe in entsprechender Weise nicht in Schwingungen versetzt werden dürfen, wäre bei diesen Stäben das zu ermittelnde Meßsignal zu gering, um eine genaue Lokalisierung von Dotierungstabletten zu ermöglichen. Die bekannte Vorrichtung ist also für die Reaktortechnik ungeeignet.A pulse head located below or above the length of fabric, with which a magnetic field directed perpendicular to the longitudinal axis of the fabric is generated, calls when a ferrous foreign body in the vibrating material web passes in its detector coil Voltage pulses that are passed on to an amplifier. Besides that mechanically sensitive reactor fuel rods are not caused to vibrate in a corresponding manner allowed, the measurement signal to be determined would be too low for these rods to accurately localize Allow doping tablets. The known device is therefore unsuitable for reactor technology.

Nach einem ähnlichen Meßprinzip arbeitet auch die aus der DE-AS 2015 115 bekannte Vorrichtung zur Messung des unterschiedlichen Gehaltes an ferromagnetischen Bestandteilen in Materialproben gleicher Abmessungen wie z. B. in Scheiben oder Münzen gleicher Dicke und gleichen Durchmessers. Bei dieser Vorrichtung werden die einzelnen Materialproben durch ein konstantes Magnetfeld zwischen zwei Polenden einer Magnetanordnung geführt, wobei beim Eintauchen der Materialprobe in das Magnetfeld die damit verbundene Magneifeldänderung in eine elektrische Spannung umgesetzt wird. Mit dieser Vorrichtung können jedoch nur magnetisch leitende, d. h. starkmagnetische Proben verglichen werden. Die sich bei Verwendung von schwachmagnetischen Materialien ergebenden Effekte sind zu gering, um eine Verwendung der bekannten Vorrichtung in der Reaktortechnik für den genannten Zweck zu ermöglichen.The device known from DE-AS 2015 115 works according to a similar measuring principle Measurement of the different content of ferromagnetic components in material samples of the same type Dimensions such as B. in discs or coins the same Thickness and same diameter. In this device, the individual material samples are through a constant magnetic field guided between two pole ends of a magnet assembly, with when immersed of the material sample in the magnetic field, the associated magnetic field change into an electrical voltage is implemented. With this device, however, only magnetically conductive, i. H. strongly magnetic samples be compared. The effects resulting from the use of weakly magnetic materials are too few to use the known device in reactor technology for the said Purpose to enable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb, die eingangs genannte Vorrichtung dahingehend zu verbessern, daß mit ihr eine verhältnismäßig genaue Lokalisierung der magnetischen Substanzen innerhalb eines Breiinstabes ermöglicht wird, ohne die Tabletten entfernen oder den Stab oder die Tabletten verändern zu müssen.The object of the present invention is therefore to improve the device mentioned at the beginning to the effect that that with it a comparatively precise localization of the magnetic substances within one Pulp stick is made possible without removing the tablets or changing the stick or tablets have to.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.This object is achieved according to the invention with the measures specified in the characterizing part of the main claim solved.

Die Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß nicht nur die Lage der Dotierungssubstanzen verhältnismäßig genau innerhalb des Körpers aus dem vorgegebenen Grundmaterial ermittelt werden kann, sondern daß sich auch der Anteil der Dotierungssubstanzen in dem Körper quantitativ bestimmen läßt. Dabei wird von der Überlegung ausgegangen, daß in einem von außen an den Körper angelegten Magnetfeld das von den Substanzen erzeugte magnetische Streufeld von dem des undotierten Grundmaterials des Körpers quantitativ zu unterscheiden ist. Mit der Vorrichtung ist demnach die in einem äußeren Magnetfeld der Fiußdichte B_n durch das undotierte Grundmaterial hervorgerufene Erhöhung der Flußdichte ABc von der Flußdichteerliöhung ABc.s zu unterscheiden, die mit dem Siibstan/maicrial dotierten Grundmaterial hervorgerufen wird. Eine derartige Unterscheidung ist nämlich deshalb möglich, weil die FluBdichteerhöhung ΔΒ_ί; des undotierten Grundmaterial proportional zurThe advantages of the device according to the invention are in particular that not only can the position of the doping substances be determined relatively precisely within the body from the given base material, but that the proportion of doping substances in the body can also be determined quantitatively. The assumption here is that in a magnetic field applied to the body from the outside, the stray magnetic field generated by the substances can be quantitatively distinguished from that of the undoped base material of the body. With the apparatus thus is in an external magnetic field of Fiußdichte B _n by the undoped base material caused increase in the flux density of the ABc Flußdichteerliöhung ABc.s to distinguish with the Siibstan / maicrial doped base material is caused. Such a differentiation is possible because the flux density _{increase ΔΒ ί;} of the undoped base material proportional to

■5 magnetischen Suszeptibilität des Gmndmaterials ist und die Flußdichteerhöhung z/ß<_;.v des dotierten Grundmaterials darüber hinaus auch noch von der magnetischen Suszeptibilität des Substanzenmaterials abhängig ist■ 5 is the magnetic susceptibility of the base material and the increase in flux density z / ß <_; .v of the doped base material is also dependent on the magnetic susceptibility of the substance material

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 und 2 schematisch zwei Lokalisierungsvorrichtungen veranschaulicht sind.To further explain the invention and its further developments characterized in the subclaims reference is made to the drawing in which FIG. 1 and 2 schematically two localization devices are illustrated.

F i g. 3 zeigt ein Schaltbild einer solchen Vorrichtung nach F i g. 1 oder 2, und inF i g. 3 shows a circuit diagram of such a device according to FIG. 1 or 2, and in

Fig.4 ist als Ausführungsbeispiel ein Meßprotokoll des Schreibers einer Vorrichtung nach den vorhergehenden Figuren wiedergegeben.As an exemplary embodiment, FIG. 4 is a measurement protocol of the recorder of a device according to the preceding figures.

Als Ajisführungsbeispiel ist den Figuren ein Kernreaktorbrennstab zugrundegelegt, v^r..r eine Vielzahl von hirueretnaniiergereihien Uranoxid-T^bieilen enthält. Einige dieser Tabletten sollen gadoliniumoxidhaltig sein. Mit der Vorrichtung nach der Erfindung läßt sich feststellen, an welcher Stelle sich diese gadoliniumoxidhalti^ren Tabletten in dem Reaktorbrennstab befinden. Dabei wird die von den reinen Uranoxid-Tabletten hervorgerufene magnetische Flußdichteerhöhung ABc von der Flußdichteerhöhung ABcs der gadoliniumoxidhaltigen Tabletten unterschieden. Werden diese Tabletten beispielsweise einem äußeren Magnetfeld B₀ = 0,1 Tes-Ia ausgesetzt, so beträgt die nachzuweisende Differenz zwischen den beiden Flußdichteerhöhungswerten etwa 0,16 · 10—' Tesla. Dieser Wert ist stwas geringer als das Erdfeld und kann mit entsprechend empfindlichen Vorrichtungen gemessen v.-erden.As Ajisführungsbeispiel the figures is based on a nuclear reactor fuel rod containing bieilen v ^r ..R a plurality of T ^ hirueretnaniiergereihien uranium oxide. Some of these tablets are said to contain gadolinium oxide. With the device according to the invention it can be determined at which point these gadolinium oxide-containing tablets are located in the reactor fuel rod. A distinction is made between the increase in magnetic flux density ABc caused by the pure uranium oxide tablets and the increase in flux density ABcs in the tablets containing gadolinium oxide. If these tablets are exposed, for example, to an external magnetic field B ₀ = 0.1 Tes-Ia, the difference to be detected between the two flux density increase values is approximately 0.16 · 10 -4 Tesla. This value is slightly lower than the earth's field and can be measured with correspondingly sensitive devices.

Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung ist in F i g. 1 im Querschnitt schemalisch veranschaulicht. Ein zu untersuchender Reaktorbrennstkb 2 liegt auf einer unmagnetischen Unteriage 3. Zwischen zwei gegenüberliegenden Polschuhen 5 und 6 eines Permanentmagneten 7 ist eine Haltevorrichtung 9 aus nichtmagnetischem Material angeordnet, mit deren Hilfe zwei Hallsondcn 10 und 11 als magiietfeldempfindliche Detektoren fest gegenüber dem Magneten in den zwischen den Polschuhen 5 und 6 und dem Brennstab 2 ausgebildeten Zwischenräumen montiert sind. Die Haltevorrichtung 9 ist außerdem mit in der Figur nicht näher ausgeführten Gleitflächen und Führungsrollen versehen, so daß der Magnet 7 längs des Brennstabes 2 oder der Brennstab 2 zwischen den Polschuhen 5 und 6 verschoben werden kann. Diese Führungseinrichtung ist so gestaltet, daß sich bei entsprechender Bewegung die Abstände zwischen Stabachse, Hallsonden und Magnetpolen nicht verändern können. Um Kratzspuren auf dem Hüllrohr d«.s Brennstabes 2 zu vermeiden, muß nämlich dieses so geführt werden, daß es nicht an den Polschuhen 5 und 6 schleifen kann. Gegebenenfalls kann das Hüllrohr cieshalb mit einer Schutzschicht, beispieisweise aus Zaponlack, überzogen sein.An embodiment of such a device is shown in FIG. 1 schematically illustrated in cross section. A reactor fuel 2 to be examined lies on a non-magnetic base 3. Between two opposite pole pieces 5 and 6 of a permanent magnet 7 is a holding device 9 made of non-magnetic material, with the help of which two Hall probes 10 and 11 as sensitive to magnetic fields Detectors fixed in relation to the magnet in between the pole pieces 5 and 6 and the fuel rod 2 trained spaces are mounted. The holding device 9 is also not shown in detail in the figure executed sliding surfaces and guide rollers are provided so that the magnet 7 along the fuel rod 2 or the fuel rod 2 can be displaced between the pole pieces 5 and 6. This guide device is designed in such a way that the distances between the rod axis, Hall probes and magnetic poles change with the appropriate movement can not change. In order to avoid scratch marks on the cladding tube of the fuel rod 2, must namely this can be guided so that it cannot rub against the pole pieces 5 and 6. If necessary, can the cladding tube should therefore be covered with a protective layer, for example made of zapon varnish.

Als magnetempfindliche Detektoren kommen beispielsweise Hallsonden mit einem Steuerstrom von 100 mA und einer Empfindlichkeit von 130 mV/Tesla in Frage. Besonders geeignet sind Indiumarsenid-Hallson-Hall probes with a control current of, for example, are used as magnetically sensitive detectors 100 mA and a sensitivity of 130 mV / Tesla in Question. Indium arsenide Hallson-

b5 den, deren Temperaturabhängigkeit verhältnismäßig gering ist. Der Steuerstrom einer in der Figur nicht ausgeführten und mit den Hallsonden verbundenen Meßvorrichtung wird zweckmäßig auf 10-°· stabilisiert undb5 den whose temperature dependence is proportionate is low. The control current of a measuring device not shown in the figure and connected to the Hall probes is expediently stabilized at 10 ° and

die Hallspannung kompensiert und verstärkt sowie registriert, beispielsweise mit einem Schreiber aufgezeichnet. Damit ergibt sich ein Signal von etwa 10 μV als Unterschied zwischen den dotierten und undotierten Brennstofftabletten. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ist es zweckmäßig, die Summe der beiden Hallsignale und vorzugsweise auch noch ihre Differenz aufzuzeichnen. Eine homogene Veränderung der Magnetisierung an der Stelle des Brennstabes mit einer gadoliniumoxidhaltigen Tablette beeinflußt nämlich nur das Summensignal, während das Differenzsignal in erster Näherung unverändert bleibt. Das Summensignal ist aber unempfindlich gegen Inhomogenitäten wie beispielsweise der Unsymmetrie der Lage der gadoliniumoxidhaltigen Tablette innerhalb des Brennstoffstabes bezüglich der beiden Hallsonden. Auf diese Einflüsse reagiert jedoch das Differenzsignal, so daß eine genaue Lagebestimmung der dotierten Tabletten möglich ist.the Hall voltage is compensated and amplified and registered, for example recorded with a recorder. This results in a signal of around 10 μV as the difference between the doped and undoped Fuel tablets. To increase the sensitivity, it is advisable to use the sum of the two Hall signals and preferably also to record their difference. A homogeneous change in magnetization at the point of the fuel rod with a tablet containing gadolinium oxide only affects the sum signal, while the difference signal remains unchanged in a first approximation. The sum signal is, however, insensitive against inhomogeneities such as the asymmetry of the position of the gadolinium oxide-containing tablet inside the fuel rod with respect to the two Hall probes. However, the reacts to these influences Difference signal, so that an exact determination of the position of the doped tablets is possible.

in F i g. 2 ist ebenfalls in einem Quct scnüiü eine weitere Lokalisierungsrichtung schematisch veranschaulicht. Das hierzu erforderliche Magnetfeld wird durch zwei zu beiden Seiten eines Brennstabes 15 auf einer Kunststoffunterlage 16 angeordnete Stapel 17 und 18 aus jeweils vier aneinandergereihten Ferritpermanentmagneten 20 er/eugl. Die dem Brennstab 15 zugewandten Seitenteile der Magnetstapel 17 und 18 stellen jeweils einen Polschuh 21 bzw. 22 dar. Die Magnete 20 werden durch eine Halterung 19 zusammengehalten. Geeignete Ferritpermanentmagnete haben eine Remanenz von 036 bis 0,4 Tesla und erzeugen in einem 20 mm breiten Spalt 23 zwischen den Polschuhen 21 und 22 der aus ihnen gebildeten Stapel 17 und 18 eine Flußdichte von etwa 0,2 Tesla. Durch diesen Spalt 23 wird der Reaktorbrennstab 15 in einer U-förmigen Schiene 24 geführt. Zwischen dem Stab 15 und dem jeweiligen Magnetstapel 17 bzw. 18 sind magnetfeldempfindliche Detektoren angebracht. Um die Empfindlichkeit der Meßvorrichtung zu erhöhen, sind auf jeder der beiden Seiten zwei Hallsonden 25 und 26 bzw. 27 und 28 vorgesehen. Diese Hallsonden können teils auf der Schiene 24, teils direkt an den Magnetstapeln 17 und 18 befestigt sein. Mit einer in der Figur nicht dargestellten Einrichtung kann der Stabtransport durch den Spalt 23 erfolgen. Selbstverständlich kann auch der Stab 15 festgehalten werden und die Magnetanordnungen längs zu ihm verschoben werden. Bei der Relativbewegung zwischen dem Brennstab 15 und den Magnetstapeln 17 und 18 werden dann die einzelnen Brennstofftabletten in dem Brennstab in den Bereich höchster Feldstärke und an den Hallsonden 25 bis 28 vorbeigeführt.in Fig. 2 is also another in a Quct Direction of localization illustrated schematically. The magnetic field required for this is through two stacks 17 and 18 arranged on both sides of a fuel rod 15 on a plastic support 16 from four ferrite permanent magnets 20 er / eugl. The fuel rod 15 facing Side parts of the magnet stacks 17 and 18 each represent a pole piece 21 and 22, respectively. The magnets 20 are held together by a bracket 19. Suitable ferrite permanent magnets have a remanence from 036 to 0.4 Tesla and produce in a 20 mm wide gap 23 between the pole pieces 21 and 22 of the stacks 17 and 18 formed from them have a flux density of about 0.2 Tesla. Through this gap 23 is the reactor fuel rod 15 is guided in a U-shaped rail 24. Between the rod 15 and the respective Magnetic stacks 17 and 18 are attached detectors sensitive to magnetic fields. To the sensitivity of the To increase the measuring device, two Hall probes 25 and 26 or 27 and 28 are provided on each of the two sides. These Hall probes can partly be attached to the rail 24 and partly directly to the magnet stacks 17 and 18 be. With a device not shown in the figure, the rod can be transported through the gap 23. Of course, the rod 15 can also be held and the magnet arrangements along it be moved. During the relative movement between the fuel rod 15 and the magnet stacks 17 and 18 the individual fuel pellets in the fuel rod are then moved to the area with the highest field strength and on the Hall probes 25 to 28 passed.

Die elektrische Schaltung einer Vorrichtung nach F i g. 2 ist in F i g. 3 skizziert. Jede der Hallsonden 25 bis 28 wird von einer eigenen, stabilisierten Stromversorgung 30 bis 33 mit einem Strom von beispielsweise 10 mA gespeist. Die Spannungsabgriffe der vier Hallsonden sind so geschaltet, daß sich die Halispannungen addieren. Bei einer Hallsondenempfindlichkeit von etwa 100 mV pro Tesla bei der angegebenen Stromstärke ergibt die Addition der Hailspannungen bei 0,2 Tesla magnetischer Flußdichte in dem Spalt 23 gemäß F i g. 2 eine Spannung von etwa 80 mV. Diese Spannung wird durch eine 2-Volt-Batterie 35 und einen 10 kß-Widerstand 36 so kompensiert, daß in einem Verstärker 38 nur die Hallspannung verstärkt werden muß. die aufgrund der FcSderhöhung durch die dotierten Tabletten in dem Reaktorbrennstab 15 erzeugt wird. Das verstärkte Signal wird durch einen λ-r-Schreiber 39 aufgezeichnet Die Kompensation der Hallspannungen kann auch durchgeführt werden, während die Uranoxidtabletten zwischen den Hallsonden liegen. Dann braucht nämlich nur das von den gadoliniumoxidhaltigen Tabletten hervorgerufene Signal verstärkt zu werden.The electrical circuit of a device according to FIG. 2 is in FIG. 3 outlined. Each of the Hall probes 25 to 28 is of its own, stabilized power supply 30 to 33 with a current of, for example 10 mA fed. The voltage taps of the four Hall probes are switched so that the Hali voltages add. With a Hall probe sensitivity of around 100 mV per Tesla at the specified current strength results in the addition of the Shail stresses at 0.2 Tesla magnetic flux density in the gap 23 according to FIG. 2 a voltage of about 80 mV. This tension will by a 2 volt battery 35 and a 10 kΩ resistor 36 compensated so that only the Hall voltage has to be amplified in an amplifier 38. the due the increase in FcS due to the doped tablets in the Reactor fuel rod 15 is produced. The amplified signal is recorded by a λ-r recorder 39 The compensation of the Hall voltages can also be done while the uranium oxide tablets lie between the Hall probes. Then you only need what is produced by the tablets containing gadolinium oxide Signal to be amplified.

In F i g. 4 ist ein Meßprotokoll einer Vorrichtung nach F i g. 3 teilweise dargestellt. Auf der Ordinate ist die von den vier vorgesehenen Hallsonden hervorgerufene Spannung U in Mikrovolt aufgetragen, die in Abhängigkeit von der auf der Abszisse aufgetragenen und in Zentimetern gemessenen Position χ der einzelnen Tabletten innerhalb des Reaktorbrennstabes erhalten wird. Dem Meßprotokoll liegt als Ausführungsbeispiel ein Reaktorbrennstab zugrunde, in dessen Zircalloy-Hüllrohr mit einem Durchmesser von 12,5 mm eine Vielzahl von Tabletten mit Durchmessern von 10,63 mm und einer Höhe von jeweils 11 mm aufgereiht sind. Es ergeben sich so Bereiche, die nur aus uranoxidhaltigen Tabletten oder nur aus gadoliniumoxidhaltigen Tabletten oder abwechselnd aus beiden Table'.tensorten bestehe"· Das in der Figur gezeigte Protokoll des x-r-Schreibers ergibt sich für den Fall, daß der Reaktorbrennstab aus einem gadoliniumoxidhaltigen Bereich in einen Bereich mit abwechselnd gadoliniumoxidhaltigen und nichtgadoliniumoxidhaltigen Uranoxidtabletten bewegt wird. Der auf der linken Seite des Protokolls wiedergegebene, verhältnismäßig gleichmäßige Kurvenverlauf ergibt sich für den homogenen Stabbereich. Er wird gefolgt von dsX alternierenden Bereich, der durch abwechselnd hohe und niedrige Spannungswerte gekennzeichnet ist.In Fig. 4 is a measurement record of a device according to FIG. 3 partially shown. The voltage U generated by the four Hall probes provided is plotted on the ordinate in microvolts, which is obtained as a function of the position χ of the individual tablets within the reactor fuel rod plotted on the abscissa and measured in centimeters. As an exemplary embodiment, the measurement protocol is based on a reactor fuel rod in whose Zircalloy cladding tube with a diameter of 12.5 mm a large number of tablets with diameters of 10.63 mm and a height of 11 mm each are lined up. This results in areas that consist only of uranium oxide-containing tablets or only gadolinium oxide-containing tablets or alternately of both types of table is moved into an area with alternating gadolinium oxide-containing and non-gadolinium oxide-containing uranium oxide tablets. The relatively uniform curve shown on the left side of the protocol results for the homogeneous rod area. It is followed by dsX alternating area, which is characterized by alternating high and low voltage values.

Der Abfall der Kurve auf den Minimalwert ist mit dem Stabende verbunden. Man erkennt im Protokoll deutlich die Lage der reinen Uraooxid-Tabletten an dem kleineren Signal und die Lage der gadoliniumoxidhaltigen Tabletten an dem vergleichsweise höheren Signal.The drop in the curve to the minimum value is associated with the end of the member. You can see it clearly in the log the position of the pure urooxide tablets on the smaller signal and the position of the gadolinium oxide-containing ones Tablets at the comparatively higher signal.

Da der Ordtnatenmaßstab etwa 1 μπιν/cm beträgt, entspricht bei einer Hallempfindlichkeit der vier Hallsonden von etwa 400 mV pro Tesla somit 1 cm Ordinate etwa 2,5 · 10-⁶ Tesla. Die durch die gadoliniumoxidhaltigen Tabletten bewirkte Signalhöhe ergibt sich so zu ungefähr 4 mV bzw. 1 · 10~⁵ Tesla.Since the Ordtnatenmaßstab is about 1 μπιν / cm, thus 1 cm ordinate corresponds about 2.5 x 10- ⁶ Tesla at a Hall sensitivity of the four Hall probes of approximately 400 mV per Tesla. The signal caused by the gadoliniumoxidhaltigen tablets height results so as to approximately 4 mV and 1 x 10 ^-5 Tesla.

Um eine bessere zeitliche Konstanz des Meßsignals zu erreichen, können gegebenenfalls der Stab und die Hallsonden thermisch entkoppelt werden. Die Einrichtung zur Führung des Brennstoffstabes müßte dann au-In order to achieve a better temporal constancy of the measurement signal, the rod and the Hall probes are thermally decoupled. The device for guiding the fuel rod would then have to

ßerhalb der Magnete angebracht werden. Ferner ist auch möglich, die Hallsonden durch flüssigen Stickstoff auf konstanter Temperatur zu halten.Be attached outside the magnets. It is also possible to use liquid nitrogen to run the Hall probes to keep at a constant temperature.

Statt der Ferritpermanentmagnete 20 gemäß F i g. 2 können auch Magnete aus hartmagnetischen Legierungen mit höherer Remanenz verwendet werden, z. B. Al-NiCo 600-Magnete mit 1,26 Tesla Remanenz. H.erdurch ist eine Steigerung der Signalhöhe möglich. Gegebenenfalls kann dann auf zwei der vier Hallsonden 25 bis 28 verzichtet werden. Durch einen zusätzlichen Weicheisenring zur Führung der magnetischen Feldlinien kann darüber hinaus die Vorrichtung unempfindlicher gegen Störungen von außen gemacht werden.Instead of the ferrite permanent magnets 20 according to FIG. 2 magnets made of hard magnetic alloys can also be used with higher remanence can be used, e.g. B. Al-NiCo 600 magnets with 1.26 Tesla remanence. H. by it is possible to increase the signal height. If necessary, two of the four Hall probes 25 to 28 be waived. With an additional soft iron ring to guide the magnetic field lines In addition, the device can be made less sensitive to external interference.

Ferner ist die Erzeugung des äußeren Magnetfeldes nicht nur auf Permanentmagnete beschränkt. Es könnenFurthermore, the generation of the external magnetic field is not limited to permanent magnets. It can

ω alle hinreichend stabilen Feldquellen verwendet werden, so z. B. Elektromagnete oder auch supraleitende Magnete. Gegebenenfalls genügt sogar das magnetische Erdfeld.ω all sufficiently stable field sources are used, so z. B. Electromagnets or superconducting magnets. If necessary, even the magnetic one is sufficient Earth field.

Zur Messung der Magnetfelder können außer den erwähnten Hallsonden noch viele andere Meßeinrichtungen in Betracht kommen, z. B. Feldplatten, Kernresonanz-Magnetometer oder Josephson-Effekt-Magnetometer. In addition to the Hall probes mentioned, many other measuring devices can be used to measure the magnetic fields come into consideration, e.g. B. field plates, nuclear magnetic resonance magnetometer or Josephson effect magnetometer.

Außer der erwähnten einfachen Kompensation und Verstärkung des Meßsignals kommen für höhere Anforderungen an die Empfindlichkeit hoch entwickelte Signal-VcrarbeiU'iigsmethoden in Betracht, wie beispielsweise das sogenannte Lock-in-Vcrfahren, bei dem der "> Hallgenerator mit Wechselstrom versorgt wird und das Signal frequenz- und phasenfesi gemessen wird. Dariibc hinaus ist auch das sogenannte Sampling-Verfahren anwendbar, bei dem die Messungen mit l'olgefrequenzen von KHz oder MHz wiederholt werden und in die Summe über tausende von Meßvorgäi.gen gebildet wird. Es ist so eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhällnisses der LokalisierungsvomchUing möglich.In addition to the simple compensation and amplification of the measurement signal mentioned, there are higher requirements advanced signal processing methods for sensitivity into consideration, such as the so-called lock-in procedure, in which the "> Hall generator is supplied with alternating current and the signal is measured frequency and phase-fixed. Dariibc In addition, the so-called sampling method can also be used, in which the measurements are carried out with subsequent frequencies of KHz or MHz are repeated and formed in the sum over thousands of Meßvorgäi.gen will. It's such an increase in the signal-to-noise ratio the localization of chUing possible.

Das Meßverfahren ist vielfältig abwandelbar. So können die magnetfeldempfindlichcn Detektoren oder der π Reaktorstab bewegt werden und auch das erhaltene Meßsignal zur Rückwirkung auf die den Meßvorgang steuernden Mittel oder andere Operationen herangezogen werden.The measuring method can be modified in many ways. Thus, the magnetfeldempfindlichcn detectors or the π reactor rod can be moved and also the measurement signal obtained in the measuring operation the controlling agent or other operations are used for the reaction.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß den vorstehenden Fig. 1 bis 4 zur Erläuterung der Vorrichtung nach der Erfindung ist zwar ein Reaktorbrennstab angenommen, dessen Grundmaterial Uranoxid mit der Substanz Gadoliniumoxid, die stärker paramagnetisch als Uranoxid ist. dotiert ist. Die Vorrichtung nach der Erfindung ist jedoch nicht nur auf gadoliniumoxidhaltige Brennstoff-Tabletten beschränkt, sondern sie kann ebensogut zur Lokalisierung anderer Dotierungssubstanzen in beliebigen Grundmaterialien verwendet werden, falls diese Substanzen eine genügend verschiedene magnetische jo Suszeptibilität gegenüber dem Grundmaterial haben. Darüber hinaus ist mit der Vorrichtung nach der Erfindung mit entsprechendem bekannten Meßaufwand auch eine quantitative Messung des Dotierungsgrades möglich. J5In the exemplary embodiment according to the above FIGS. 1 to 4 to explain the device according to the invention, a reactor fuel rod is assumed whose base material is uranium oxide with the substance gadolinium oxide, which is more paramagnetic than uranium oxide. is endowed. The device according to the invention is not limited to gadolinium oxide-containing fuel tablets, but can just as well be used to localize other doping substances in any base material if these substances have a sufficiently different magnetic susceptibility to the base material. In addition, a quantitative measurement of the doping level is also possible with the device according to the invention with a corresponding known measurement effort. J5

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

4040

5050

5555

6060

b5b5

Claims

Patent claims:

1. Device for the localization of substances in a body, its weakly magnetic Base material has a different magnetic susceptibility to the substance material, with a magnet arrangement for generating an approximately perpendicular to the longitudinal direction of the Body-directed magnetic field, with means for guiding the body relative to the magnet arrangement, with a magnetic field sensitive detector, which is determined by the magnetization of the substances caused change in the magnetic field measures, and with including an amplifier arrangement for processing the measurement signals obtained with the detector, characterized in that, that the magnet arrangement (5 to 7; 17, 18) has two opposite pole shoes (5, 6; 21, 22), between ^ nen the body (2; 15) is to lead that between the body (2:15) and the two pole pieces (5,6; 21,22) each has at least one magnetic field sensitive Detector (10, 11; 25 to 28) arranged at approximately the same distance from the body (2; 15) and that the amplifier arrangement (38) for forming the sum of the detectors (10, 11; 25 to 28) generated signals is provided

2. Device according to claim 1, characterized in that that Hall probes are provided as magnetic field-sensitive detectors (10, 11; 25 to 28).

3. Vorrich'ung according to claim 2, characterized in that dali provided as detectors sensitive to magnetic fields (10, 11; 25 to 28) ^ ndiumai'senid Hall probes are.

4. Device according to one ύ-.r claims 1 to 3, characterized by a magnetic field which is at least approximately homogeneously in Overvie the measurement of the induced by the addition of substances field.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the amplifier arrangement (38) in addition to forming the difference between those produced on the detectors (10, 11; 25 to 28) Signals is provided.

6. Use of the device according to one of claims 1 to 5 for measuring the in the outer Magnetic field generated additional field of neutron absorbing substances with which at least Some of the fuel pellets lined up in a row in a nuclear reactor fuel rod are doped.