DE4204294B4

DE4204294B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Lücken zwischen benachbarten Brennstäben einer Brennstoffkassette

Info

Publication number: DE4204294B4
Application number: DE4204294A
Authority: DE
Inventors: Masaru Kawasaki Ukai; Hideaki Chigasaki Okami; Kozo Yokohama Sato; Kazuya Yono Okamoto
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-02-15
Filing date: 1992-02-13
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2012-02-14
Also published as: US5282229A; DE4204294A1

Abstract

Vorrichtung zum Messen von Lücken zwischen benachbarten Brennstäben oder zwischen einem Wasserstab und benachbarten Brennstäben einer Brennstoffkassette, in welcher Stäbe in Form eines Gitters (im Querschnitt) angeordnet und von einer Abstandseinrichtung gehaltert sind, gekennzeichnet durch
einen die Gitteranordnung der Stäbe aufnehmenden Behälter (11), der mit einem eine Kernspin-Resonanzerscheinung aufweisenden Kühl-Fluid gefüllt ist,
eine in den Behälter eingestellte Meßeinrichtung mit einer Magneteinrichtung und einer Spuleneinrichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern, wobei die Spuleneinrichtung eine Spulenanordnung zum Erzeugen von Gradientenmagnetfeldern und eine Spulenanordnung zum Erzeugen eines Hochfrequenz-Magnetfeldes und zum Erfassen eines Kernspin-Resonanzsignals enthält;
eine Steuereinrichtung zum Steuern der Magnetfelder, die von den jeweiligen Magneteinrichtungen und Spulenanordnungen erzeugt werden; und
eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Durchführen einer Datenverarbeitung in Abhängigkeit eines von der Steuereinrichtung gesendeten Signals, wobei die Verteilung des Fluids in der in dem Behälter eingestellten Brennstoffkassette als Schnittbild der Brennstoffkassette verarbeitet wird, um auf diese Weise die Lücke zwischen benachbarten...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Lücken zwischen benachbarten Brennstäben, die in einer Brennstoffkassette angeordnet sind, sowie zum Messen einer Lücke zwischen einem Brennstab (im folgenden auch als Brennstoffstab bezeichnet) und einem diesem benachbarten Wasserstab. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren, bei dem eine Fluidverteilung, z.B. die Verteilung eines Kühlwassers oder eines speziellen Gases, innerhalb kurzer Zeit aus einem Schichtbild der Brennstoffkassette gewonnen werden kann, wobei von der Kernspin- oder magnetischen Resonanz Gebrauch gemacht wird, um die Lücke zwischen den benachbarten Brennstäben in Form eines Bildes auszumessen. Die erwähnten Lücken werden hier als Lücken zwischen den Brennstäben bezeichnet, soweit eine nähere Unterscheidung nicht erforderlich ist.
Für gewöhnlich besitzt ein Kernreaktor einen Reaktorkern, in den mehrere Brennstoffkassetten geladen werden. Ein typisches Beispiel für eine solche Brennstoffkassette ist in 33 gezeigt, in der eine in einen Reaktor eines Siedewasser-Kernreaktors zu ladende Brennstoffkassette dargestellt ist.
Gemäß 33 enthält eine Brennstoffkassette 1 einen quadratisch-zylindrischen Kanalkasten 2, in welchem mehrere Brennstäbe 3 und mindestens ein Wasserstab in Form eines Gitters im Querschnitt durch Abstandskalter 4 in Abständen voneinander gelagert sind. Jeweils die oberen und die unteren Endabschnitte sämtlicher Brennstäbe 3 werden im zusammengesetzten Zustand von einer oberen bzw. einer unteren Verbindungsplatte 5 und 6 festgehalten. Die Lücken oder Spalten zwischen den benachbarten Brennstoffstäben 3 und zwischen Brennstoffstäben 3 und einem diesen benachbarten Wasserstab werden durch die Abstandshalter 4 geschaffen, wobei bei einer Brennstoffkassette 1, in der die Brennstoffstäbe 3 in einem Gitter aus acht Reihen und acht Spalten angeordnet sind, jede Lücke klein ist, beispielsweise nur 4 mm.
Die Schaffung von Lücken zwischen den Brennstoffstäben 3 ist von Bedeutung im Hinblick auf die Wärmeübertragung von den Oberflächen der Brennstoffstäbe zu einem Kühlmittel. Ist die Lücke kleiner als ein vorbestimmter Wert, so geht dieses Wärmeübertragungsphänomen von einem Blasensieden mit guter Wärmeübertragung über zu einem Filmsieden, welches durch schlechte Wärmeübertragung gekennzeichnet ist. Dies kann zu einer übermäßig starken Oberflächentemperatur-Erhöhung einer Brennstoffstab-Ummantelung führen. Aus diesem Grund werden die Lücken zwischen den Brennstoffstäben in der Brennstoffkassette inspiziert, um sicherzugehen, daß die richtige Lückengröße vorhanden ist. Eine solche Inspektion erfolgt periodisch nach etwa einem Jahr Betriebsdauer der Kernkraftanlage und/oder bei dem Zusammenbau der Brennstoffkassette.
Im allgemeinen wird eine Kernkraftanlage nach einem Jahr Betriebsdauer etwa alle drei Monate periodisch inspiziert. Bei einer solchen periodischen Inspektion werden die einzelnen Ausrüstungsteile geprüft, und Kernbrennstoff wird durch neuen Kernbrennstoff ersetzt. Bei einem Siedewasserreaktor beispielsweise, der 764 Brennstoffkassetten beinhaltet und eine Ausgangsleistung von etwa 1,1 Millionen Ki lowatt liefert, wird etwa 1/4 der Brennstoffkassetten durch neue Kassetten ersetzt, während die übrigen 3/4 weiterverwendet werden. Die auszutauschenden Brennstoffkassetten werden hier auch als verbrauchter Brennstoff bezeichnet, während die übrigen Brennstoffkassetten, die nicht ausgetauscht werden, als rückgeladener Brennstoff bezeichnet werden.
Bei einer Stichprobenprüfung wird eine vorbestimmte Anzahl von verbrauchten Brennstoffen und rückgeladenen Brennstoffen abhängig von dem jeweiligen Auslegungstyp der Brennstoffkassetten herausgegriffen. Die Stichprobenüberprüfung umfaßt eine Überprüfung des äußeren Erscheinungsbilds der Brennstoffkassetten sowie eine Überprüfung einer Lücke zwischen benachbarten Brennstoffstäben. Das Lückenmeßverfahren bei einer solchen Stichprobenüberprüfung soll im folgenden unter Bezugnahme auf 34 erläutert werden.
34 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Brennstoffkassette 1 entlang der Linie XXXIV-XXXIV in 33. Die Brennstoffkassette enthält 62 Brennstoffstäbe 3 und zwei Wasserstäbe 7 die in der Kassette zentral angeordnet sind, so daß ein Gitter aus 8 Reihen und 8 Spalten gebildet ist.

Im Stand der Technik wird ein Verfahren zum Messen einer Lücke zwischen den benachbarten Brennstäben so durchgeführt, daß auf einer Seite A beispielsweise eine Lichtquelle positioniert und das durch die Lücken zwischen den Brennstoffstäben 3 hindurchgetretene Licht auf einer Seite C, die der Seite A gegenüberliegt, mit Hilfe beispielsweise einer Unterwasserkamera beobachtet wird, wie dies in 34 angedeutet ist. Außerdem wird von einer auf der Seite B angeordneten Lichtquelle kommendes Licht, welches durch die Lücken zwischen den Brennstoffstäben 3 hindurchläuft, auf einer der Seite B entgegengesetzten Seite D ebenfalls mit einer Unterwasserkamera erfaßt. Dieses Licht stellt eine Projektion in Richtungen dar, die sich rechtwinklig kreuzen. Ein solches Verfahren zum Beobachten der Lücken zwischen Brennstoffstäben soll hier als Lichtprojektionsverfahren bezeichnet werden.

Wird anhand des Lichtprojektionsverfahrens beobachtet, daß die Lücken zwischen den Kernbrennstäben ziemlich schmal sind, so wird eine Fühllehre einer Plattenschablone mit bekannter Dicke in die Lücke eingeführt, um deren Zustand zu ermitteln. Dieses Verfahren wird als Fühllehrenverfahren bezeichnet.

Zur Zeit wird ein hohes Maß an Abbrand für die Brennstoffkassetten gefordert, um die Brennstoffausnutzung zu verbessern und mithin einen neuen Typ Brennstoff zu entwickeln. Um ein hohes Maß an Abbrand zu erreichen, ist es erforderlich, Daten über die Neutronenstrahlung in der Brennstoffkassette zu sammeln und diese Daten in die Auslegung der Brennstoffkassette einfließen zu lassen. Obschon die Daten solche Probendaten umfassen sollten, die die Lücke zwischen den Brennstoffstäben der Brennstoffkassette betreffen, ist dazu das oben erwähnte Lichtprojektionsverfahren sowie das Fühllehrenverfahren nicht ausreichend. Genauer gesagt, werden bei diesem Verfahren viele Fühllehren benötigt, um eine ausreichende Genauigkeit der Messung der Lückendaten zu erhalten. Wenn z.B. eine Genauigkeit in der Größenordnung von 0,05 mm gefordert wird, werden 50 Plattenschablonen benötigt. Im Fall der Messung der verbrauchten Brennstoffkassette ist eine Fernsteuerung aus einem Abstand von etwa 5 m im eingetauchten Zustand der zu prüfenden Anordnung erforderlich, da die Brennstoffkassette eine Quelle starker Strahlung ist. Aus diesem sowie aus anderen Gründen muß auch dann, wenn die geforderte Anzahl von Fühllehren bereitgestellt werden kann, viel Aufmerksamkeit auf den Einführungswinkel der Lehren in die Lücken zwischen den Brennstoffstäben und auch auf die Einführkraft verwendet werden, um den Vorgang mit hoher Genauigkeit durchführen zu können. Damit ist diese Vorgehensweise unbequem und mit Schwierigkeiten verbunden.

Bei einem anderen, für die Zukunft vorgesehenen Kernreaktor hat eine Brennstoffkassette zu Erzielung eines hohen Abbrand-Maßes die in 35 schematisch dargestellte Form. Die in 35 dargestellte Brennstoffkassette 1a ist im Querschnitt gitterförmig und umfaßt 8 Reihen und 8 Spalten einschließlich eines Wasserstabs, der zentrisch in der Anordnung der Brennstoffkassette 1a positioniert ist. Der Wasserstab 7a belegt einen Platz, welcher dem Platz von 4 Brennstoffstäben 3a entspricht, so daß man den Wasserstab auch als Großdurchmesser-Wasserstab 7a bezeichnet. Dieser Querschnitt entspricht dem auch in 34 dargestellten Schnitt.

Wenn man die Lücken zwischen den Brennstoffstäben 3a der Brennstoffkassette 1a in 35 betrachtet, so lassen sich drei der Lücken im Mittelbereich nicht nach dem herkömmlichen Lichtprojektionsverfahren betrachten, weil dazwischen nämlich der Großdurchmesser-Wasserstab 7a liegt. Wenn weiterhin die Fühllehren in die Lücken eingeschoben werden, so kann man die Lücken G zwischen den Brennstoffstäben 3a und dem zentral angeordneten großen Wasserstab 7a nur schwierig genau messen. Die Messung der Lücken dieser Brennstoffkassette 1a benötigt bei Anwendung des herkömmlichen Verfahrens viel Zeit und Arbeit.

Um die dem oben geschilderten Stand der Technik anhaftenden Probleme zu beseitigen, wurde ein Verfahren untersucht und vorgeschlagen, bei dem radiale Positionen der Brennstoff stäbe und Wasserstäbe unter Verwendung einer Hochenergie-Röntgenröhre oder einer Hochenergie-Gammaröhre, mit denen ein Schichtbild eines Objekts erzeugbar ist, gemessen wurden. Dieses Verfahren bringt jedoch das Problem mit sich, daß wegen der eine Quelle hoher Strahlung bildenden verbrauchten Brennstoffkassette eine Kurzzeitbestrahlung erfolgt, was bei Ausnutzung der Strahlung und Lage von Urandioxid (UO₂), mit hohem Abschirmungsverhältnis insofern ungünstig ist, als man kein signifikantes S/N-(Signal/Stör)-Verhältnis innerhalb kurzer Meßzeit erhält. Um ein genaues Meßergebnis zu erzielen, müßte also eine lange Meßzeit vorgesehen werden, dies ist jedoch nicht praktikabel. Im Fall einer Hochenergie-Gammastrahlenröhre ist auch deren Handhabung problematisch.

Aus der JP-A-63-101796 ist ein Brennstab-Überprüfungsverfahren bekannt, das zur Erfassung des Vorhandenseins eines Gases wie etwa. H3 oder Xe_131 in dem Brennstab dient. Bei diesem Verfahren wird der Brennstab aus dem Brennelement herausgezogen und ein Detektor, der mit magnetischer Kernresonanz arbeitet. am oberen Ende des Brennstabs angebracht, so daß eine Brennstabuntersuchung unter Einsatz von magnetischer Resonanz stattfindet.

Eine ähnliche Methode ist auch aus der JP-A-61-77798 bekannt, die zur Feststellung des Vorhandenseins von Helium-Gas in dem Brennstab dient. Auch dort wird eine mit magnetischer Kernresonanz arbeitende Vorrichtung am oberen Ende des Brennstabs angeordnet die zur Erfassung von Helium-Gas in dem Brennstab dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die oben aufgezeigten Nachteile des Standes der Technik weitgehend zu beseitigen und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen einer Lücke zwischen benachbarten Brennstäben oder zwischen einem Brennstab und einem Wasserstab in einer Brennstoffkassette anzugeben, bei dem innerhalb kurzer Zeitspanne ungeachtet der radialen Querschnittsform der Brennstoffkassette die Lücke genau gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 bzw. 28 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeben.

Die Erfindung nutzt die Kernspin- oder magnetische Resonanz aus.

In bevorzugter Ausgestaltung enthält die Vorrichtung einen zylindrischen Magnet mit einer Spule in Form eines Solenoids zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds, außerdem eine Kabeleinrichtung mit einem Kabel zum Aktivieren des Magnets, einem Kabel zum Aktivieren einer Magnetfeld-Justierspulenanordnung, einem Kabel zum Aktivieren der Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung und einem Kabel zum Aktivieren der Hochfrequenz-Spulenanordnung. Die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung befindet sich im Inneren des zylindrischen Magneten und erzeugt ein Gradientenmagnetfeld mit Primärgradienten in drei einander unter rechtem Winkel kreuzenden Richtungen. Die Spulenanordnung zum Erzeugen der Hochfrequenz umfaßt eine sattelförmige Spulenanordnung zum Aufbringen einer impulsförmigen Hochfrequenz, mit der Wasserstoff-Atomkerne in magnetische Resonanz innerhalb des statischen Magnetfelds gebracht werden, und zwar in einer zu dem statischen Magnetfeld senkrechten Richtung, und mit der ein magnetisches Resonanzsignal erfaßt wird.

Die Meßvorrichtung kann sich zusammensetzen aus einem Magneten zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes, einer Spulenanordnung im Inneren des Magneten zum Erzeugen des Gradientenmagnetfelds, und einer Spulenanordnung zum Erzeugen der Hochfrequenz und zum Empfangen eines Kernspin-Resonanz-Signals, wobei der Magnet das statische Magnetfeld in einer Richtung erzeugt, die etwa senkrecht auf einer axialen Richtung der in dem Behälter angeordneten Brennstoffkassette steht. Die Gradientenmagnetfelder-Spulenanordnung erzeugt Gradientenmagnetfelder in zwei sich rechtwinklig schneidenen Richtungen innerhalb einer Ebene, die die axiale Richtung der Brennstoffkassette etwa senkrecht kreuzt. Die Hochfrequenz-Spulenanordnung erzeugt ein magnetisches Hochfrequenzfeld in einer zu der axialen Richtung der Brennstoffkassette im wesentlichen parallelen Richtung. Bei dem Magneten handelt es sich um einen Permanentmagneten mit etwa C-förmigen Aufbau. Er setzt sich zusammen aus einem Paar von Magnetteilen, die sich mit Stirnseiten gegenüberliegen, und einem ferromagnetischen Körper, welcher die Magnetteile zu einem einstückigen Bauteil verbindet, wobei in den sich gegenüberliegenden Stirnflächen der Magnetteile Löcher angeordnet sind.

Bei beiden oben angesprochenen Aspekten der Erfindung handelt es sich bei dem Fluid um Kühlwasser, welches den Behälter ausfüllt, oder um ein den Behälter füllendes Gas wie z.B. CF₄-Gas.

Gemäß den oben angegebenen Besonderheiten der vorliegenden Erfindung wird die Lücke zwischen benachbarten Brennstoffstäben oder zwischen einem Brennstoffstab und dem dazu benachbarten Wasserstab der Brennstoffkassette dadurch gemessen, daß man die Kernspin- oder magnetische Resonanz ausnutzt. Dies beruht auf dem Umstand, daß die Brennstoffkassette üblicherweise in einer Fluidatmosphäre, also beispielsweise Kühlwasser oder Gas, gehandhabt wird. Die Verteilung des Kühlwassers oder Kühlgases innerhalb der Brennstoffkassette in dem Fluid wird gemessen. Damit läßt sich die Lücke exakt und sicher messen.

Bei einem solchen Lückenmeßverfahren macht die Meßvorrichtung von der Kernspin-Resonanz Gebrauch, die von dem Magneten zum Erzeugen des statischen Magnetfeldes, der Spulenanordnung für die Gradientenmagnetfelder und die Spulenanordnung für die Hochfrequenzimpulse erzeugt wird. Die Lücke wird als Bild des die Lücken ausfüllenden Fluids gemessen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Lückenmeßverfahren im Hinblick auf die Vernachlässigung der Erzeugung einer dielektrischen Kopplung zwischen der leitenden Schleife durchgeführt, die durch den Brennstoffstab und die Abstandshalter der Brennstoffkassette und die Hochfrequenz-Spulenanordnung verursacht wird. Bei dieser Ausführungsform kann eine genauere Meßleistung erzielt werden.

Im folgendem werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lückenmeßvorrichtung,
2 ein Blockdiagramm eines für die vorliegende Erfindung verwendeten Kernspin-Resonanz-Abbildungssystems,
3 eine schematische, perspektivische Ansicht eines zylindrischen Magneten zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes als Bestandteil der Lückenmeßvorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
4 eine Ansicht einer Spulenanordnung zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes, wie sie in dem Magneten nach 3 enthalten ist.
5 ein weiteres Beispiel des in 3 dargestellten Magneten,
6 eine Längsschnittansicht des Magneten, der eine Anordnung aus einer Trimmspule, einer Gradientenmagnetfeld-Spule und einer Hochfrequenz-Spule,
7 eine Ansicht eines Beispiels der Hochfrequenz-Spule,
8 eine Veranschaulichung eines Phantoms zum Erläutern der Einstellung der Hochfrequenz-Spule,
9 ein Impulsdiagramm zum Veranschaulichen der Impulsfolge zum Ermitteln von Daten,
10 ein Beispiel für ein durch Anlegen eines linear polarisierten Feldes erhaltenen Bildes,
11 eine Darstellung eines Beispiels einer Hochfrequenz-Spule zum Erzeugen eines kreisförmig polarisierten Feldes,
12 ein Blockdiagramm einer Duplexereinheit, die an die Hochfrequenz-Spule zum Erzeugen des kreisförmig polarisierten Feldes angeschlossen ist,
13 ein Beispiel für ein Bild, welches man durch Anlegen des kreisförmig polarisierten Feldes erhält.
14 eine ähnliche Ansicht wie 1, in der eine modifizierte Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist,
15 eine ähnliche Ansicht wie 2, jedoch bezogen auf die modifizierte Ausführungsform nach 14,
16 eine perspektivische Ansicht eines C-förmigen Permanentmangneten zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes in der Lückenmeßvorrichtung nach 14,
17 eine Ansicht einer Anordnung aus einer Spule zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfeldes,
18 eine Ansicht einer Solenoid-Spulenanordnung zum Erzeugen eines Hochfrequenzfeldes,
19 eine perspektivische Ansicht eines Teils der in der Lückenmeßvorrichtung befindlichen Brennstoffkassette,
20 ein Impulsdiagramm, ähnlich dem in 9, für die modifizierte Ausführungsform,
21 eine ähnliche Ansicht wie 16, jedoch eines anderen Beispiels des Magneten,
22 eine perspektivische Ansicht einer Helmholtz-Magnetanordnung als weiteres Beispiel für den Magneten,
23 eine Ansicht eines weiteren Beispiels der Spule zum Erzeugen des Gradientenmagnetfelds,
24 eine Ansicht eines weiteren Beispiels der Spule zum Erzeugen des Gradientenmagnetfelds,
25 eine schematische, perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lückenmeßvorrichtung,
26 ein Blockdiagramm, ähnlich dem in 2 dargestellten Diagramm, für eine zweite Ausführungsform der Erfindung,
27 eine schematische, perspektivische Ansicht, ähnlich der Ansicht nach 3, einer zweiten Ausführungsform,
28 ein weiteres Beispiel für den in 27 gezeigten Magneten,
29 eine Ansicht eines Beispiels für die Hochfrequenz-Spule, ähnlich der Darstellung nach 7,
30 ein Impulsdiagramm zum Veranschaulichen der Impulsfolge zum Erhalten von Daten, ähnlich der Darstellung nach 9 ,
31 ein Beispiel für ein Bild, welches durch Anlegen eines linear polarisierten Feldes erhalten wird,
32 eine Darstellung eines Beispiels für eine Hochfrequenz-Spule zum Erzeugen eines kreisförmig polarisierten Feldes, ähnlich 11,
33 eine Schnittansicht einer gewöhnlichen Brennstoffkassette, die mittels eines erfindungsgemäßen Lückenmeßverfahrens ausgemessen wird,
34 eine Schnittansicht entlang der Linie XXXIV-XXXIV nach 33, wobei ein Beispiel für die Anordnung von Brennstoffstäben und Wasserstäben der Brennstoffkassette dargestellt ist, und
35 ebenfalls eine Schnittansicht entlang der gleichen Linie, an der auch die Darstellung nach 34 geschnitten wurde, jedoch hier für eine andere Anordnung.
Zunächst soll anhand der 1 bis 13 eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden.
1 zeigt schematisch die Anordnung einer Lückenmeßvorrichtung zum Messen einer Lücke zwischen benachbarten Brennstoffstäben in einer Brennstoffkassette gemäß der Erfindung. Die Lückenmeßvorrichtung verwendet das Phänomen der Kernspin- oder magnetischen Resonanz eines MR-Abbildungssystems 10, im folgendem als MRI-System 10 bezeichnet, mit dessen Hilfe Lücken zwischen Brennstoffstäben 3 oder 3a oder zwischen einem Brennstoffstab und einem Wasserstab 7 oder 7a gemessen werden, wie dies anhand der 34 und 35 bereits erläutert wurde.
Die Brennstoffkassette(n) 1 bzw. 1a wird (werden) in einem Brennstoffgestell 12 untergebracht, welches sich in einem Brennstoffspeicherbad 11, z.B. einem Speicherbad für gebrauchten Brennstoff, befindet. In das Brennstoffspeicherbad 11 ist ein Kühlwasser 13 als Gegenmaßnahme gegen die Radioaktivität eingefüllt. Die Brennstoffkassette 1 wird mit Hilfe eines Krans 14 in das Kühlwasser 13 transportiert, wobei der Kran zweckmäßigerweise gemäß 1 oberhalb des Bads 11 angeordnet ist. Eine dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechende Lückenmeßvorrichtung enthält ein Lückenmeßgerät 15, dessen Funktion auf dem Phänomen der Kernspin- oder magnetischen Resonanz des MRI-Systems 10 beruht und in dem Brennstoffspeicherbad 11 angeordnet ist. Eine Inspektion der verbrauchten Brennstoffkassette erfolgt üblicherweise einmal pro Jahr. Das Meßgerät 15 wird während der Inspektion in das Bad 11 eingetaucht. Die zu überprüfende verbrauchte Brennstoffkassette 1 wird ihres kanalförmigen Kastens 2 entkleidet und mit Hilfe des Krans 14 zu einem Mittelbereich, d.h. einem Meßbereich für das Meßgerät 15 des Bads 11 transportiert.
Das MRI-System 10 besitzt eine Steuertafel 16 zum Steuern der Stärke der jeweiligen Magnetfelder des Meßgeräts 15, und ein Datenverarbeitungssystem 17 als Mittel zum Bearbeiten von Daten in Abhängigkeit eines MR-Signals, das von dem Meßgerät 15 gemessen und eingegeben wird.
Wie aus 2 hervorgeht, setzt sich die Meßvorrichtung 15 des MRI-Systems 10 zusammen aus einem zylindrischen Magneten 20, der ein statisches Magnetfeld erzeugt, einer Gradi entenmagnetfeld-Spulenanordnung 21 im Inneren des Magneten 20 zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfeldes mit Primärgradienten in drei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen, und eine Hochfrequenz- oder HF-Spulenanordnung 22 zum Abstrahlen eines Hochfrequenz-Magnetfeldes auf die Brennstoffkassette 1 als abzubildendes Objekt, sowie zum Empfangen des MR-Signals von dem Objekt.
Der Magnet 20 wird von einer Leistungsquelle 23 erregt, die in der Steuertafel 16 vorgesehen ist. Die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 21 umfaßt drei Spulen zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfelds (Gx) für die Vorbereitung, eines Gradientenmagnetfeldes (Gy) für die Kodierung und eines Gradientenmagnetfeldes (Gz) für die Schichtauswahl. Diese Gradientenmagnetfelder Gx, Gy und Gz sind zueinander in Richtung des statischen Magnetfeldes parallel und besitzen Primärgradienten in drei zueinander senkrechten Richtungen. Diese Magnetfelder werden von elektrischer Leistung erzeugt, die von einer Gradientenfeld-Treiberquelle 24 geliefert wird. Die Leistungsquelle 24 wird ihrerseits von einer Ablaufsteuerung 25 gesteuert, die in dem Datenverarbeitungssystem 17 enthalten ist. Die Hochfrequenzleistung wird von einer durch die Ablaufsteuerung 25 gesteuerten Signalgeneratoreinheit 26 über eine Duplexereinheit 27 an die Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 gegeben.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird das Meßgerät 15 des MRI-Systems 10 in das in dem Brennstoffspeicherbad 11 enthaltene Kühlwasser 13 getaucht und dort an einer gewünschten Stelle postioniert. Anschließend wird der Kanalkasten 2 von der Brennstoffkassette 1 entfernt, und die Kassette wird ohne den Kanalkasten mit Hilfe des Krans 14 innerhalb des Bads 11 zu einem Führungsbereich 50 (s. 6) des Meßgeräts 15 transportiert. Die Brennstoffkassette 1 wird als zu prüfender Gegenstand bewegt und dann in einen Abbildungsbereich des Meßgeräts 15 gestellt. Der zylindrische Magnet 20 des Meßgeräts 15 besitzt einen Innenraum, der sich zur Unterbringung mindestens einer Brennstoffkassette 1 eignet. Unter den. derart voreingestellten Bedingungen wird das MRI-System 10 aktiviert, so daß der. Magnet 20, die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 21 und die Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 des Meßgeräts 15 erregt werden. Die Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 empfängt von der Brennstoffkassette 1 als abzubildendem Objekt durch Bestrahlung mit dem Hochfrequenz-Magnetfeld das MR-Signal.
Das MR-Signal wird von einer Signalempfangseinheit 28 über die Duplexereinheit 27 empfangen. In der Signalempfangseinheit wird das Signal verstärkt, demoduliert und dann zu einer Datensammeleinheit 29 des Datenverarbeitungssystems 17 übertragen. Das in die Datensammeleinheit 29 eingegebene MR-Signal wird einer Analog-Digital-Umsetzung (AD-Wandlung) unterzogen und einem elektronischen Rechner 30 zugeführt, in dem die Signale beispielsweise mittels Fouriertransformation verarbeitet werden. Das so erhaltene Bild wird auf einer Bildanzeigeeinheit 31 angezeigt, so daß das MR-Bild eine Kühlwasserverteilung in einem radialen Querschnitt der Brennstoffkassette 1 darstellt, wobei die Lücke zwischen benachbarten Brennstoffstäben sowie der Lücke zwischen dem Brennstoffstab und dem benachbarten Wasserstab in der Brennstoffkassette 1 exakt auf der Grundlage des so durch Ausnutzung des Phänomens der Kernspin-Resonanz erhaltenen MR-Bildes ausgemessen werden kann.
Die Daten des MR-Signals von der Hochfrequenz-Spulenanordnung 22, die in dem Rechner 30 z.B. einer Fouriertransformation unterzogen wurden, werden anschließend auf der Bildanzeige 31 dargestellt. Die Ablaufsteuerung 25 steuert die Leistungsquelle 24, die Signalgeneratoreinheit 26 der Steuertafel 16, die Datensammeleinheit 29 und das Datenverar beitungssystem 17 in Abhängigkeit der von dem Rechner 30 kommenden Signale, und der Rechner 30 wird seinerseits über eine Konsole 32 gesteuert, die für das Datenverarbeitungssystem 17 vorhanden ist.
3 zeigt ein Beispiel für die Anpassung eines normal leitenden (widerstandsleitend) Magneten 20a zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes für das Meßgerät 15 des MRI-Systems 10. Der Magnet 20a enthält eine Magnetspule 35, die gemäß 4 wie ein Solenoid gewickelt ist, um ein statisches Magnetfeld in Z-Richtung zu erzeugen. Eine Kabelanordnung 36 zum Erregen des Magneten 20a, eine Kabelanordnung 37 zum Speisen elektrischen Stroms in eine Trimmspule zum Justieren des magnetischen Feldes, eine Kabelanordnung 38 zum Aktivieren der Gradientenmagnetfeld-Spule und eine Kabelanordnung 39 zum Übertragen bzw. Empfangen von Signalen von der Hochfrequenz-Spule sind elektrisch mit Stromquellen 27, 24 bzw. 26 verbunden, die außerhalb des Brennstoffspeicherbads 11 angeordnet sind. Wenn die Brennstoffkassette 1 inspiziert werden soll, wird das Meßgerät 15 in das Bad 11 eingetaucht, und über die entsprechenden Kabelanordnungen wird elektrische Leistung eingespeist. Bei dem normal leitenden Magneten 20a wirft die durch das Leiten starker Ströme erzeugte Wärme üblicherweise ein Problem auf, jedoch wird bei dem Meßgerät 15 dieser Ausführungsform der Magnet, welcher das statische Magnetfeld erzeugt, durch das in dem Bad 11 enthaltene Kühlwasser gekühlt, so daß das Problem der Wärmeentwicklung gelöst ist.
5 zeigt eine modifizierte Ausgestaltung des in 3 dargestellten Meßgeräts 15, gemäß der ein supraleitender Magnet 20b zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes vorhanden ist. Der Magnet 20b enthält eine als Solenoid gewickelte Magnetspule gemäß 4, um das statische Magnetfeld in Z-Richtung zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform des supraleitenden Magneten 20b ist zusätzlich zu den vier Arten von Kabelzuführungen 36, 37, 38 und 39 eine Leitung 40 vorgesehen, über die flüssiges Helium (He) oder flüssiger Stickstoff (N₂) als Kühlmittel zugeführt bzw. verdampftes Heliumgas oder N₂-Gas abgeführt wird. Die Leitung 40 ist von einem wärmeisolierden Material 41 bedeckt, damit der Kanal 40 durch das Kühlmittelgas nicht gefriert.
Wenn es erforderlich ist, einen solchen supraleitenden Magneten 20b zu verwenden, so kommen zwei Einstellverfahren in Betracht. Nach dem einen Verfahren wird das Meßgerät 15, welches mit diesen Magneten 20b ausgestattet ist, bei der Inspektion in dem Bad 11 angeordnet, während ständig die He- oder N₂-Flüssigkeit strömt, um den supraleitenden Zustand aufrechtzuerhalten. Da bei diesem Verfahren stets das statische Magnetfeld existiert, läßt sich der supraleitende Magnet 20b nur schwierig einstellen, und die fortwährende Bereitstellung des flüssigen He oder N₂ erfordert beträchtliche Betriebskosten. Insofern ist dieses Verfahren problematisch.
Bei dem anderen Verfahren wird der supraleitende Magnet 20b vor der Inspektion erregt, und diese Erregung wird nach Ende der Inspektion beendet. Das Erregen erfolgt durch Kühlen des Inneren des supraleitenden Magneten 20b durch das flüssige He oder das flüssige N₂, das anschließende Zuführen das Kühlmittels, das Einbringen des Magneten 20b in das Brennstoffspeicherbad 11 und das anschließende Einspeisen elektrischen Stroms aus der Stromquelle 23 zum Zwecke der Erregung. Nach der Inspektion wird der Strom abgeschaltet und die Brennstoffkassette 1 aus dem Speicherbad 11 herausgezogen. Dann wird das Kühlmittel zurückgewonnen, und die Temperatur im Inneren des Magneten 20b erhöht sich. Dieses Verfahren kann insofern aufwendig sein, als man den Magneten 20b vor bzw. nach der Inspektion kühlen und heizen muß, jedoch sind diese Arbeiten relativ einfach und bedingen keine Interhaltungskosten bei nicht-vorhandenem Magnetfeld während der Einstellzeit.
6 zeigt eine Schnittansicht einer Ausgestaltung einer Trimmspulenanordnung 43, der Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 21 und der Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 im Inneren des Magneten 20 zum Erzeugen des statischen Magnetfelds des Meßgeräts 15. Diese Spulenanordnungen 43, 21 und 22 sind derart angeordnet, daß sie nicht in direkte Berührung mit dem Kühlwasser 13 des Bades 11 gelangen. Zu diesem Zweck sind die Spulen in isolierendes Material, z.B. ein Harz 45 eingebettet und befestigt. Für das die Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 umgebende Harz 45 wird zweckmäßigerweise ein Harz wie z.B. Acrylharz oder Polytetraflourethylen ausgewählt, welches sich durch einen kleinen dielektrischen Verlustfaktor auszeichnet, damit die Hochfrequenzverluste verringert sind. Da jedoch die verbrauchte Brennstoffkassette 1 eine Quelle starker Strahlung ist, kann je nach Bedarf auch ein Harz der Polyimid-Reihe oder der Polyacetat-Reihe verwendet werden.
Die Trimmspule 43 ist eine Spule zum gleichmäßigen Justieren des statischen Magnetfeldes und des Gradientenmagnetfeldes. Für gewöhnlich setzt sie sich Zusammen aus Spulengruppen, die Magnetfelder erzeugen, welche Komponenten zwischen der Ordnung 0 und Tertiär- und Quarternär-Komponenten umfassen. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel kann, da das für die Bilderzeugung vorgesehene Objekt die Brennstoffkassette 1 ist, ein schmaler Abbildungsbereich angepaßt werden, und es besteht nicht die Notwendigkeit, das Magnetfeld in einem breiten Bereich gleichförmig zu machen. Da außerdem das abzubildende Objekt feststeht, muß man die Einstellung des Magnetfelds nicht für jede einzelne Inspektion vornehmen. Die Einstellung des Magnetfelds läßt sich also dadurch ausführen, daß man mehrere magnetische Stücke der Innenwandfläche des Magneten bei der Herstellung des Magneten 20 für das Meßgerät 15 festlegt. Die Anzahl der Anordnung der Trimmspulengruppen läßt sich verringern, wenn man ein Magnetfeld-Justierverfahren verwendet, bei dem die Trimmspulenanordnung 43 und die magnetischen Teile kombiniert werden. Beim Einspeisen von Strom in die Trimmspulenanordnung 43 entsteht Wärme, jedoch wird die Wärme dadurch abgeleitet, daß ein Spalt 46a in dem Meßgerät 15 vorgesehen wird, durch den hindurch Kühlwasser strömt.
Die Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 dient dazu, die Hochfrequenz in Form eines Impulses anzulegen, bei welchem Wasserstoff-Atomkerne in magnetische Resonanz innerhalb des statischen Magnetfeldes gelangen, und zwar in einer senkrecht auf dem statischen Magnetfeld stehenden Richtung. Die Spule dient außerdem zum Erfassen eines erzeugten Kernspin-Resonanzsignals oder magnetischen Resonanzsignals (MR-Signal oder NMR-Signal). Für gewöhnlich wird eine sattelförmige Spulenanordnung 46 als Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 verwendet, wie sie z.B. in 7 dargestellt ist.
Die sattelförmige Spulenanordnung 46 nach der 7 hat einen Aufbau, der sich für die Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes B₁ eignet, welches in y-Richtung oszilliert. Die Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 ist derart aufgebaut, daß eine Impedanzanpassung bei 50Ω beispielsweise erfolgt, um das Empfangen und Senden von Signalen effizient durchführen zu können.
Bei der Anordnung nach 7 sind Kondensatoren C₀ und C₁ für die Abstimmung bzw. die Anpassung vorgesehen. Da bei dieser Ausführungsform das abzubildende Objekt auf die Brennstoffkassette 1 beschränkt ist, ist es nicht notwendig, bei jeder Inspektion eine Impedanzanpassung vorzuneh men, und wie in 8 gezeigt ist, wird die Impedanz vorab unter Verwendung eines Phantoms 49 eingestellt, wobei sich das Phantom aus einer simulierten Kernbrennstoffkassette 47 und Kühlwasser 48 zusammensetzt.
9 zeigt anhand eines Impulsdiagramms die Impulsfolge für den Fall, daß das MR-Bild unter Verwendung des MRI-Systems erzeugt wird. Das Meßgerät 15 wird zunächst in das in dem Brennstoffspeicherbad 11 befindliche Kühlwasser 13 eingetaucht, die Brennstoffkassette 1 wird ihres kanalförmigen Kastens 2 entkleidet und in den Führungsabschnitt 50 des Meßgeräts 15 eingetaucht. Dann wird an die Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 und die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 21 Leistung gegeben, um die Wasserstoff-Atomkerne selektiv in einer geeigneten Querschnittsebene innerhalb der Brennstoffkassette 1 zu erregen. Um die Scheiben- oder Schichtfläche auszuwählen, wird ein Hochfrequenzimpuls, in welchem eine Sinusfunktion durch eine MR-Frequenz moduliert ist, üblicherweise an die Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 gelegt, während die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 21 ein Gradientenmagnetfeld Gz in Form eines Impulses mit einem Gradienten in axialer Richtung senkrecht zur Scheibenfläche anlegt. 9 zeigt ein Beispiel, bei dem ein Querschnitt senkrecht zur Z-Achse ausgewählt wird, indem das Gradientenmagnetfeld Gz in Z-Richtung angelegt wird.
Beim nächsten Schritt werden das Gradientenmagnetfeld Gx und das Feld Gy in zwei den zur Z-Achse senkrechten Querschnitt rechtwinklig kreuzenden Richtungen in Form von Impulsen angelegt, wodurch MR-Signale erzeugt werden, die man beobachten kann. Im Beispiel nach 9 wird als Vorbereitungsrichtung das in X-Richtung verlaufende Gradientenmagnetfeld Gx verwendet, als Kodierungsrichtung die Y-Richtung durch das Gradientenmagnetfeld Gy. Eine in 9 dargestellte Sequenzgruppe wird mit einer bestimmten Häufig keit wiederholt, während die Stärke des Gradientenmagnetfelds Gy in der Kodierungsrichtung geändert wird. Die Anzahl von Wiederholungen beträgt überlicherweise 256 oder 128, wenn ein MR-Bild einer 256 × 256-Matrix erhalten werden soll.
10 zeigt ein Beispiel für ein MR-Bild mit einem horizontalen Schnitt durch die Brennstoffkassette 1, wie es durch die Signalfolge nach 9 erhalten wird. Gemäß 10 erscheint der Brennstoffstab 3 als Ruhe- oder Leerbereich, d.h. signalfreier Bereich, während das die Lücken zwischen den Brennstoffstäben 3 ausfüllende Kühlwasser 13 als Hochsignalbereiche in Erscheinung treten. Ein Brennstoffstab 3 besitzt eine nicht so hohe elektrische Leitfähigkeit wie z.B. Kupfer, sondern seine Leitfähigkeit beträgt etwa 1/10 derjenigen von Kupfer, so daß der Brennstoffstab 3 gegenüber der Hochfrequenz einen abschirmenden Effekt hat. Deshalb ergeben sich die in 10 durch Querschraffierung kenntlich gemachten Bereiche 51 als Schatten der Brennstoffstäbe 3, wenn die Richtung des angelegten Hochfrequenz-Magnetfeldes, das durch die Hochfrequenz-Spulenanordnung 22 angelegt wird, die Y-Richtung ist, und die Schattenbereiche treten als etwas dunklere Bereiche in Erscheinung.
Um solche Ungleichmäßigkeiten des MR-Bildes 2u unterdrücken, benutzt man vorzugsweise ein kreisförmig polarisiertes Feld ohne die Verwendung eines Hochfrequenzfeldes, d.h. eines linear polarisierten Feldes, welches in einer Richtung oszilliert. 11 zeigt ein Beispiel einer Hochfrequenz-Spulenanordnung 22a, mit deren Hilfe ein derartiges kreisförmig polarisiertes Feld erzeugt werden kann. Die Hochfrequenz-Spulenanordnung 22a setzt sich zusammen aus sattelförmigen Spulen 52 und 53, ähnlich der in 7 dargestellten Spule, die derart angeordnet sind, daß Hochfre quenz-Magnetfelder entstehen, deren Richtungen sich unter rechtem Winkel kreuzen. Ein im wesentlichen kreisförmig polarisiertes Feld kann man in dem Abbildungsbereich im inneren der Spulenanordnung 22a dadurch erzeugen, daß man die gleiche Leistung und die gleichen Hochfrequenzen mit einem Phasenunterschied von 90° anlegt, um das MR-Bild zu erzeugen.
12 zeigt den grundlegenden Aufbau der Duplexereinheit 27, die man für den Fall benötigt, daß die Hochfrequenz-, Spulenanordnung 22a nach 11 verwendet wird. Gemäß 12 werden die hochfrequenten Impulse aus der Signalübertragungseinheit 26 über den Duplexer 54 in einen 90°-Hybrid 55 eingespeist, in welchem die Impulse aufgeteilt werden in Impulse, die sich durch eine 90°-Phasenverschiebung voneinander unterscheiden. Andererseits werden beim Signalempfang die MR-Signale unterschiedlicher Phasen mit 90°-Phasenverschiebung von dem 90°-Hybrid einander überlappt und dann über den Duplexer 56 der Signalempfangseinheit 28 zugeführt.
Bei diesem Betrieb werden Signale von beiden Spulen 52 und 53 der Hochfrequenz-Spulenanordnung 22a spannungsmäßig addiert, wozu durch die elektrische Spannungsquelle verursachtes Rauschen noch zusätzlich addiert wird, so daß der Effekt einer Intensivierung des Rauschabstands (S/N-Verhältnisses) erfolgt. Beispielsweise haben Signale, die von dem abzubildenden Objekt symmetrisch bezüglich der Richtungen der jeweiligen linear polarisierten Felder sind, identische Signale und identisches Rauschen für die beiden Spulen 52 und 53, und dieses Rauschen steht nicht zueinander in Beziehung, so daß die Amplituden der MR-Signale doppelt so groß werden, während das Rauschen sich etwa auf das 1,4-fache verstärkt und sich mithin der Rauschabstand um etwa das 1,4-fache verbessert, indem die Phasen der MR-Signale zusammenaddiert werden. Der Betrieb der Duplexer 54 und 56 erfolgt derart, daß beim Senden von Signalen der Duplexer 54 eingeschaltet und der Duplexer 56 ausgeschaltet ist, hingegen während der übrigen Betriebszeit der Duplexer 54 aus- und der Duplexer 56 eingeschaltet ist.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kann man ein MR-Bild mit im wesentlichen gleichförmiger Dichte, wie sie in 13 angedeutet ist, dadurch erhalten, daß man das kreisförmig polarisierte Feld mit Hilfe der Hochfrequenz-Spulenanordnung 22a erzeugt. Für den Fall, daß die abzubildende Querschnittsform des Objekts komplizierte Gestalt hat, besteht die Möglichkeit, auch dann ein ungleichmäßiges MR-Bild zu erhalten, wenn man das kreisförmig polarisierte Feld verwendet. In diesem Fall wird die zu inspizierende Brennstoffkassette 1 gedreht, damit sie aus unterschiedlichen Winkelpositionen gemessen wird. Die dadurch erhaltenen Daten werden seitens des Rechners 30 einer Zusammensetzungs-Operation unterzogen, um ein gleichmäßiges MR-Bild zu erzeugen. Die Signale werden binär, d.h. "0", "1" unterschieden, während die Bildverarbeitung erfolgt, und Signale aus gleichen Abschnitten werden so verarbeitet, daß sie den gleichen Pegel besitzen. Bei dieser Datenverarbeitungsmethode läßt sich der Kontrast des Bildes ebenfalls erhöhen.
Eine gegenüber der ersten Ausführungsform modifizierte Ausführungsform dient zur weiteren Verbesserung des Leistungsvermögens der MR-Bildgebung für die Lücke zwischen den Brennstoffstäben in der als zu inspizierendes Objekt fungierenden Brennstoffkassette.
Bei dieser modifizierten Ausführungsform gemäß 14 ist das Meßgerät 15 gemäß 1 der ersten Ausführungsform ersetzt durch ein Meßgerät 115, welches sich hauptsächlich zusammensetzt aus einem Magneten 120 (15) zur Erzeu gung eines statischen Magnetfeldes in Verbindung mit dem MRI-System 10. In 14 sind für gleiche und ähnliche Elemente wie in 1 entsprechende Bezugszeichen verwendet. Die bereits erläuterten Teile werden nicht nochmals angesprochen. Bei dieser Ausführungsform wird ebenfalls das MRI-System 10 eingesetzt, welches im wesentlichen den in 2 dargestellten Aufbau hat. In 15 sind lediglich die Bezugszeichen gegenüber jenen in 2 um "100" erhöht.
Wie aus 16 hervorgeht, die einen Magneten 120 zum Erzeugen des statischen Magnetfeldes des Lückenmeßgeräts 115 zeigt, besitzt der Magnet 120 etwa C-förmige Außenkontur und setzt sich zusammen aus zwei Permanentmagneten 120a, die an den beiden einander abgewandten Enden liegen, die über einen ferromagnetischen Körper 120b miteinander verbunden sind, so daß ein magnetischer Kreis gebildet wird. Die Permanentmagneten 120a sind aus einem Material wie z.B. einem Ferrit, einer Sm-Co-Legierung oder einer Seltenerd-Legierung wie z.B. einer Nb-Fe-B-Legierung hergestellt. Zur Vergleichmäßigung des magnetischen Feldes sind Polstücke 133 aus beispielsweise Eisen an den einander zugewandten Flächen der Permanentmagneten 120a angeordnet.
Der durch die sich gegenüberstehenden Flächen der Permanentmagneten 120a definierte Bereich des zur Erzeugung des statischen Magnetfeldes dienenden Magneten 120 ist als Bildgebungsbereich ausgebildet, in welchem das in Z-Richtung orientierte Magnetfeld erzeugt wird. Die abzubildende Brennstoffkassette 1 (1a) wird entlang der Y-Richtung in dazu senkrechter Lage in das Bad 11 eingeführt. Der Abstand zwischen den Permanentmagneten 120a eignet sich für die Anordnung der zu prüfenden Brennstoffkassette 1. Da sich die Stärke der von den Permanentmagneten 120a erzeugten Magnetfelder abhängig von der Temperatur ändert, muß man an eine Temperatursteuerung durchführen. Bei dieser Ausführungsform jedoch werden die Permanentmagneten 120a in einem in das Kühlwasser 13 des Bades 11 eingetauchten Zustand betrieben, so daß man durch Konstanthaltung der Badtemperatur auf eine spezielle Temperatursteuerung verzichten kann. Aufgrund des geringen magnetischen Streufeldes der Permanentmagneten 120a läßt sich das Einbringen und Herausnehmen der Magnete bei jeder Inspektion mühelos durchführen.
17 zeigt ein Beispiel für eine Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 121, die in Verbindung mit den Permanentmagneten 120a nach 16 einsetzbar ist. Es handelt sich um eine sog. Anderson-Spule. Gemäß 17 umfaßt die Spulenanordnung 121 ein Paar Spulen, die jeweils aus drei Gradientenmagnetfeld-Spulen 121a, 121b und 121c bestehen, welche Magnetfelder in X-, Y- und Z-Richtung erzeugen. Diese Spulen 121a, 121b und 121c sind in einer Ebene angeordnet, und ein Paar dieser Spulen liegt den einander gegenüberliegenden Stirnseiten der jeweiligen Permanentmagnete 120a gegenüber. Die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 121 erzeugt ein Gradientenmagnetfeld parallel zu der Richtung des statischen Magnetfeldes, d.h. in Z-Richtung, und Primärgradienten in drei Richtungen, die sich unter rechtem Winkel kreuzen.
18 zeigt den Aufbau einer wie ein Solenoid gewickelten Hochfrequenz-Spulenanordnung 122. Diese wird eingesetzt, um ein Hochfrequenz-Magnetfeld zu erzeugen, welches in Y-Richtung orientiert ist. Die Brennstoffkassette 1 wird in die Spulenanordung 121 in Y-Richtung eingesetzt. Die Hochfrequenz-Spulenanordnung 122 umfaßt eine Spule 134 und eine Schaltung mit Abstimm- und Anspassungs-Kondensatoren 133a, 133b und 133c zur wirksamen Durchführung einer Signalübertragung und eines Signalempfangs bzw. zum Erreichen einer Impedanzanpassung von 50Ω.
19 veranschaulicht den Zustand, in welchem die Brennstoffkassette 1 als abzubildendes Objekt in das Meßgerät 115 eingesetzt ist. Durch die Brennstoffstäbe 3 und die Abstandshalter 4 wird eine leitende Schleife gebildet, zu der eine erste leitende Schleife 135a parallel zu der eine Achse der Hochfrequenz-Spulenanordnung 122 enthaltenden Ebene, sowie eine zweite leitende Schleife 135b, die durch den Abstandskalter 4 selbst gebildet wird, gehören. Bezüglich der ersten leitenden Schleife 135a läßt sich eine gegenseitige dielektrische Kopplung verhindern durch das Anordnen der Hochfrequenz-Spulenanordnung 122 an einem Zwischenabschnitt zwischen den verbindenden zwei Abstandshaltern 4 und der Brennstoffkassette 1. Die zweite leitende Schleife 135b bildet eine Kopplung mit der Hochfrequenz-Spulenanordnung 122 und reduziert geringfügig die Stärke des hochfrequenten magnetischen Feldes im Abbildungsbereich, es ist jedoch möglich, das Bild des in der Lücke zwischen den Brennstoffstäben 3 vorhandenen Wassers zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform bedeutet der "Abbildungsbereich" einen Bereich, zu dem bis zu einem gewissen Maß das hochfrequente Magnetfeld, das von der Hochfrequenz-Spulenanordnung 122 erzeugt wird, reicht. Es ist also ein zylindrischer Bereich, der eine axiale Mittelebene enthält, und eine Breite hat, die im wesentlichen identisch mit dem axialen Durchmesser der Spulenanordnung ist. Je kürzer die axiale Länge der Spulenanordnung 122 gegenüber dem Abstand zwischen benachbarten Abstandshaltern ist, desto geringer ist der Kopplungsgrad, und man erhält einen guten Rauschabstand bei geringer Hochfrequenzleistung. Die Abbildung des Wassers in der Lücke ist möglich.
20 zeigt ein Impulsdiagramm einer Impulsfolge für den Fall, daß das MR-Bild unter Verwendung des MRI-Systems erzeugt wird. Das Meßgerät 115 wird zunächst in das in dem Brennstoffspeicherbad 11 enthaltene Kühlwasser 13 eingetaucht, und dann wird die von dem kanalförmigen Kasten befreite Brennstoffkassette 1 in den Führungsabschnitt des Meßgeräts 115 eingesetzt. Dann werden der Hochfrequenzimpuls sowie die Gradientenmagnetfelder angelegt, um die Wasserstoff-Atomkerne selektiv innerhalb eines gewünschten Querschnitts der Brennstoffkassette 1 anzuregen. Um eine Scheiben- oder Schichtfläche auszuwählen, wird üblicherweise ein Hochfrequenzimpuls angelegt, bei dem eine Sinusfunktion durch eine MR-Frequenz moduliert ist, während das Gradientenmagnetfeld mit einem axialen Gradienten senkrecht zur Schicht in Form eines Impules angelegt wird.
Im nächsten Schritt werden in Form von Impulsen die Gradientenmagnetfelder aus zwei sich rechtwinklig kreuzenden Richtungen in der ausgewählten Schnittfläche angelegt, wodurch MR-Signale erzeugt werden, die sich auswerten und beobachten lassen. Bei dem in 20 gezeigten Beispiel wird ein in X-Richtung orientiertes Gradientenmagnetfeld Gx zur Vorbereitung verwendet, während das in Y-Richtung orientierte Gradientenmagnetfeld Gy für die Kodierung vorgesehen ist. Eine in 20 dargestellte Gruppensequenz wird mit einer bestimmten Häufigkeit wiederholt, wobei die Intensität des Gradientenmagnetfelds Gy in der Kodierungsrichtung geändert wird. Die Anzahl von Wiederholungen beträgt bei einem MR-Bild in Form einer 256 × 256-Matrix üblicherweise 256 oder 128. Das Gradientenmagnetfeld Gy ist in Scheibenoder Schichtrichtung wegen der Brennstoffstäbe und dergleichen im Abbildungsbereich in Y-Richtung nicht gleichförmig.
Da bei dieser Ausführungsform ein relativ schmaler Abbildungsbereich verwendet werden kann, muß man die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes nicht in einem breiten Bereich justieren, und weil es sich bei dem Objekt um ein vorbestimmtes abzubildendes Objekt handelt, sind auch keine besonde ren Magnetfeld-Justierungen bei jeder Inspektion erforderlich. Falls ein solches Erfordernis aber dennoch bestehen sollte, kann eine Magnetfeld-Justierspulenanordnung vorgesehen werden.
Die Magnetfeld-Justierspulenanordnung setzt sich üblicherweise aus Spulengruppen zusammen, um Magnetfelder zu erzeugen, die den entsprechenden Komponenten nullter bis dritter oder vierter Ordnung der sphärischen harmonischen Funktion entsprechen. Die Magnetfeld-Justierspulenanordnung kann in einer Ebene ähnlich der Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 121 gemäß 17 oder der Spulenanordnung 121 zylindrischer Form gemäß 22 angeordnet werden.
Vorzugsweise werden die Spulenanordnungen 121 und 122 sowie die Magnetfeld-Justierspulenanordnung mit Hilfe beispielsweise eines Harzmaterials abgedichtet fixiert, wobei das Material isolierende Eigenschaft besitzen soll, damit die Spulenanordnungen nicht direkt in Berührung mit dem in dem Bad 11 befindlichen Kühlwasser kommen. Insbesondere wird die Hochfrequenz-Spulenanordnung 122 von einem Harz wie z.B. Acrylharz oder Polytetraflourethylen abgedeckt, um einen niedrigen dielektrischen Verlustfaktor zu erhalten, so daß die Hochfrequenzverluste auf ein Minimum reduziert werden.
Da bei dieser modifizierten Ausführungsform das Hochfrequenz-Magnetfeld etwa parallel zur axialen Richtung der Brennstoffkassette 1 erzeugt wird, läßt sich das Phänomen der dielektrischen Kopplung signifikant bezüglich der leitenden Schleife 135a in einer zur axialen Richtung der Brennstoffkassette 1 parallelen Ebene reduzieren, und dementsprechend kann das hochfrequente Magnetfeld sicher im Inneren der Brennstoffkassette 1 erzeugt werden. Damit erhält man ein Schichtbild mit hoher Genauigkeit, und man kann sehr genau die Lücke zwischen benachbarten Brennstoffstäben sowie dem Brennstoffstab und dem Wasserstab beobachten.
Weiterhin setzt sich der zum Erzeugen des statischen Magnetfeldes verwendete Magnet 120 aus einem Permanentmagneten zusammen, so daß das magnetische Feld wenig streut und die bei jeder Inspektion erforderlichen Transportarbeiten des Meßgeräts vereinfacht werden.
Da außerdem die Hochfrequenz-Spulenanordnung 122 ein Spulenelement des Soleniod-Typs verwendet und um die Achse der Brennstoffkassette 1 herum angeordnet ist, läßt sich das Maß der dielektrischen Kopplung signifikant reduzieren, indem man die axiale Länge der Spulenanordnung 122 kürzer macht als die Lücken zwischen benachbarten Abstandshaltern der Brennstoffkassette. Dies ermöglicht die Abbildung des zwischen den Brennstoffstäben befindlichen Kühlwassers bei verbessertem Rauschabstand mit geringerer Hochfrequenzleistung.
Im folgendem werden weitere modifizierte Ausführungsbeispiele beschrieben.
Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel setzt sich der zum Erzeugen des statischen Magnetfeldes verwendete Magnet 120 aus einem Permanentmagneten zusammen, man kann aber auch einen Elektromagneten verwenden. 21 zeigt ein Beispiel für einen Elekromagneten, bei dem ein Magnet mit Eisenkern verwendet wird. Nach 21 wird ein magnetischer Kreis gebildet, indem Strom durch eine um einen ferromagnetischen Körper 120c gewickelte Spule 120d geleitet wird, wodurch ein Magnetfeld in Z-Richtung in der Lücke zwischen den Brennstoffstäben 3 erzeugt wird.
Nach 22 ist der Magnet 120 zum Erzeugen des statischen Magnetfeldes als sog. kaltleitendes Spulenelement vom Helmholtz-Typ ausgebildet. Bei diesem Beispiel laufen Ströme in derselben Richtung durch die beiden Spulen 120e, und zwischen den beiden Spulen oder Leiterschleifen 120e wird ein Magnetfeld in Z-Richtung erzeugt. Man kann vier oder noch mehr Schleifen verwenden, um die Gleichmäßigkeit der statischen Magnetfelder noch mehr zu verbessern.
Bei den Beispielen nach den 21 und 22 mit kaltleitendem Magnet könnte die Wärmeerzeugung durch die starken Ströme ein Problem darstellen, erfindungsgemäß jedoch wird die Außenfläche der Magneten durch das Kühlwasser abgekühlt, so daß das Meßgerät 115 einfach dadurch betreibbar ist, daß man den Magneten in das Bad eintaucht und den Strom nur während der Zeit der Prüfung fließen läßt.
23 zeigt eine Anordnung einer X-Gradientenmagnetfeld-Spule 136 und einer Y-Gradientenmagnetfeld-Spule 137 unter Anwendung des in 22 dargestellten Helmholtz-Magneten. Ein Paar zylindrischer Spulen 136 und 137 ist im Inneren der beiden Helmholtz-Spulen angeordnet.
24 zeigt die Ausgestaltung einer Z-Gradientenmagnetfeld-Spule 138 in Verbindung mit dem in 22 dargestellten Helmholtz-Magneten. Die Spule 138 kann im Inneren der beiden Helmholtz-Spulen angeordnet sein.
Bei dem ersten oben beschriebenen Ausführungsbeispiel enthält das Meßgerät keine Antriebseinrichtung, und man kann mehrere Sekundärbilder in Z-Richtung nur durch entsprechenden elektrischen Betrieb erhalten. Ferner sind nur die Spulenanordnungen in der Nähe der Brennstoffkassette angeordnet, so daß sich die Gegenwirkung bezüglich der Strahlung verbessert. Beim Messen von beispielsweise verbrauchten Brennstoffkassetten mit einer Oberflächendosis von 1 × 10⁶ R/h läßt sich die Zuverlässigkeit sowie die Lebensdauer beträchtlich heraufsetzen.
25 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Meßgerät zum Messen der Lücke zwischen benachbarten Brennstoffstäben in einer zu prüfenden Brennstoffkassette in einer mit einem speziellen Gas gefüllten Atmosphäre angeordnet wird.
Der Hauptunterschied dieser Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform besteht in der Tatsache, daß die erste Ausführungsform sowie die dazugehörigen Varianten ein Lückenmeßgerät vorsehen, welches in das Kühlwasser eingetaucht ist, während beim hier in Rede stehenden zweiten Ausführungsbeispiel die Vorrichtung in eine mit Gas gefüllte Atmosphäre eingebracht ist, welche im folgenden einfach als Gasatmosphäre bezeichnet wird. Die folgende Beschreibung ist also im wesentlichen identisch mit der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels, wobei das Kühlwasserbad 11 ersetzt ist durch einen mit Gas gefüllten Behälter 215, in dem sich ein spezielles Gas z.B. CF₄ befindet.
Gemäß 25 nutzt das Lückenmeßgerät 211 das Phänomen der Kernspin- oder magnetischen Resonanz durch ein MRI-System 210, mit dessen Hilfe die Lücken zwischen benachbarten Brennstoffstäben sowie zwischen dem Brennstoffstab 3 (3a) und dem Wasserstab 7 (7a) in der in den 33 bis 35 dargestellten Brennstoffkassette 1 (1a) gemessen werden.
Das MRI-System 210 ist in Verbindung mit dem Lückenmeßgerät 211, einer Steuertafel 212 zum Steuern der Stärke der jeweiligen Magnetfelder des Lückenmeßgeräts 211, einem Datenverarbeitungssystem 213 als Mittel zum Verarbeiten von Da ten, die aus einem Kernspin-Resonanzsignal (MR-Signal) gewonnen werden, die von dem Lückenmeßgerät 211 gemessen und eingegeben werden, aufgebaut.
Das Lückenmeßgerät 211 ist in einer Gaskammer eines Behälters 215 untergebracht. Wie aus 25 ersichtlich, ist die Gaskammer des Behälters 215 mit einer nicht dargestellten Gasquelle über eine Gasleitung 216 verbunden, während die in der Kammer befindliche Luft über ein Luftauslaßrohr 217 ausgelassen wird. Nach dem Entfernen der Luft aus der Kammer wird ein spezielles Gas, insbesondere CF₄-Gas über das Gaszuführrohr 216 in die Kammer geleitet, um den inneren Gasdruck der Kammer etwas höher einzustellen als den atmosphärischen Druck. Als das erwähnte spezielle Gas kommen Isotope eines inaktiven Gases mit einem Kernspin in Betracht, also an Stelle von CF₄-Gas auch ³He, ¹²⁹Xe oder ¹³¹Xe.
Nachdem das Lückenmeßgerät 211 in der oben erläuterten Weise eingestellt ist, wird die zu untersuchende Brennstoffkassette 1 in die gasgefüllte Kammer geleitet, nachdem der kanalförmige Kasten 2 entfernt wurde. Dies geschieht mit Hilfe eines Krans 218. Die Brennstoffkassette wird in dem Meßbereich etwa in der Mitte des Behälters 215 eingestellt.
Das MRI-System 210 setzt sich im wesentlichen zusammen aus den gleichen Elementen oder Einheiten wie bei der ersten Ausführungsform nach 2. Wie aus 26 entnehmbar ist, beinhaltet das Meßgerät 211 einen zylindrischen Magneten 220 zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes, eine Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 221 im Inneren des Magneten 220, um ein Gradientenmagnetfeld mit einem Primärgradienten in drei zueinander senkrechten Richtungen zu erzeugen, und eine Hochfrequenz-Spulenanordung 222 zum Ab strahlen eines hochfrequenten Magnetfeldes auf die Brennstoffkassette 1 als abzubildendes Objekt, wobei die Hochfrequenz-Spulenanordnung auch das MR-Signal von dem Objekt empfängt.
Der Magnet 220 wird von einer Energiequelle 223 erregt, die in der Steuertafel 212 vorhanden ist. Die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 221 enthält drei Spulenelemente zum Erzeugen eines Vorbereitungs-Gradientenmagnetfelds (Gx), eines Kodierungs-Gradientenmagnetenfelds (Gy) und eines Schichtauswahl-Gradientenmagnetfelds (Gz). Diese Gradientenmagnetfelder Gx, Gy und Gz sind zueinander in Richtung des statischen Magnetfeldes parallel und besitzen Primärgradienten in drei zueinander senkrechten Richtungen. Diese Magnetfelder werden durch elektrische Leistung erregt, die von einer Gradientenmagnetfeld-Leistungsquelle 224 kommt. Die Leistungsquelle 224 wird von einer Ablaufsteuerung 225 gesteuert, die Teil des Datenverarbeitungssystems 213 ist. Die der Hochfrequenz-Spulenanordnung 222 über eine Duplexereinheit 227 zugeführte Hochfrequenzleistung wird von einer ihrerseits durch die Ablaufsteuerung 225 gesteuerten Signalgeneratoreinheit 226 geliefert.
Bei dieser Ausführungsform wird das Meßgerät 211 in einer mit Gas gefüllten Kammer des Behälters 215 eingestellt, wobei sich in der Kammer ein spezielles Gas wie z.B. CF₄ befindet. Danach wird der kanalförmige Kasten von der Brennstoffkassette 1 entfernt, und die Brennstoffkassette wird ohne den kanalförmigen Kasten mit Hilfe des Krans 218 in einen Führungsbereich 250 (30) des Meßgeräts 211 innerhalb der gasgefüllten Kammer des Behälters 215 bewegt. Die Brennstoffkassette 1 als zu inspizierendes Objekt wird also bewegt, und anschließend in einem Abbildungsbereich des Meßgeräts 211 eingestellt. Unter den so eingestellten Bedingungen wird das MRI-System betrieben, um den Magneten 220, die Gradientenmagnetfelder-Spulenanordung 221 und die Hochfrequenz-Spulenanordnung 222 des Meßgeräts 211 zu erregen. Die Hochfrequenz-Spulenanordnung 222 empfängt von der Brennstoffkassette 1 als abzubildendem Objekt das MR-Signal, wobei die Brennstoffkassette 1 von dem hochfrequenten Magnetfeld bestrahlt wird.
Das empfangene MR-Signal wird über die Duplexereinheit 227 von einer Signalempfangseinheit 228 empfangen, in welcher das Signal verstärkt, demoduliert und dann zu einer Datensammeleinheit 229 des Datenverarbeitungssystems 213 übertragen wird. Das in die Datensammeleinheit 229 eingegebene MR-Signal wird einer Analog-Digital-Umsetzung unterzogen und in den elektronischen Rechner 230 eingegeben, in welchem die Daten beispielsweise einer Fouriertransformation unterzogen werden. Das so verarbeitete Bild wird auf einer Bildanzeigeeinheit 231 dargestellt, wodurch ein MR-Bild mit einer Verteilung des spezifischen Gases, z.B. des CF₄-Gases im radialen Querschnitt der Brennstoffkassette 1 angezeigt wird. Die Lücke zwischen jeweils benachbarten Brennstoffstäben und die Lücke zwischen einem Brennstoffstab und dem benachbarten Wasserstab in der Brennstoffkassette 1 lassen sich präzise anhand des so unter Verwendung des Kernspin-Resonanz-Phänomens erhaltenen MR-Bildes ausmessen.
Die Daten des von der Hochfrequenz-Spulenanordnung 222 kommenden MR-Signals, die von dem Rechner 230 z.B. einer Fouriertransformation unterzogen wurden, werden auf der Bildanzeigeeinheit 231 dargestellt. Die Ablaufsteuerung 225 steuert die Treiberleistungsquelle 224, die Signalgeneratoreinheit 226 der Steuertafel 212, die Datensammeleinheit 229 des Datenverarbeitungssystems 213 ansprechend auf von dem Rechner 230 kommende Signale, und der Rechner 230 wird über eine Konsole 232 gesteuert, die für das Datenverarbeitungssystem 213 vorgesehen ist.
27 zeigt ein Beispiel für die Anpassung eines normal (mit Widerstand) leitenden Magneten 220a zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes für das Meßgerät 211. Der Magnet 220a enthält eine als Solenoid gewickelte Magnetspule 235, wie sie in 4 gezeigt ist, um ein statisches Magnetfeld in Z-Richtung zu erzeugen. Eine Kabelanordnung 236 dient zum Erregen des Magneten 220a, eine Kabelanordnung 237 liefert Strom in eine Trimmspule zum Einstellen des magnetischen Feldes, eine Kabelanordnung 238 speist die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung, und eine Kabelanordnung 239 überträgt und empfängt Signale zu bzw. von der Hochfrequenz-Spulenanordnung. Diese Kabelanordnungen sind mit Energiequellen 223, 224 bzw. 226 verbunden, welche außerhalb des mit Gas gefüllten Behälters 215 vorgesehen sind. Wird die Brennstoffkassette 1 geprüft, so wird das Meßgerät 212 in die Gaskammer des Behälters 215 eingebracht und über die jeweiligen Kabelanordnungen wird elektrischer Strom eingespeist.
28 zeigt eine modifizierte Variante der Meßgeräte für das MRI-System 210 nach 27. Diese Variante verwendet einen supraleitenden Magneten 220b für die Erzeugung eines statischen Magnetfeldes. Der Magnet 220b enthält eine als Solenoid gewickelte Magnetspule zum Erzeugen des statischen Magnetfeldes in Z-Richtung. Bei dieser Ausführungsform des supraleitenden Magneten 220b ist zusätzlich zu den vier Arten von Kabelführungen 236, 237, 238 und 239 eine Leitung 240 vorgesehen, über die flüssiges Helium He oder flüssiger Stickstoff N₂ als Kühlmittel eingeleitet bzw. verdampftes Heliumgas oder N₂-Gas ausgeleitet wird. Die Leitung 240 ist durch ein wärmeisolierendes Material 241 abgedeckt, damit die Leitung 240 durch das Kühlmittel nicht gefriert.
Wenn es erforderlich ist, einen solchen supraleitenden Magneten 220b zu verwenden, gelangen zwei Einstellverfahren in Betracht. Nach dem einen Verfahren wird das mit diesen Magneten 220b ausgestattete Meßgerät für die Inspektion in dem mit dem speziellen Gas wie CF₄ gefüllten Behälter eingestellt, während ständig das flüssige He oder N₂ fließt und der supraleitende Zustand aufrechterhalten wird. Da bei diesem Verfahren ständig das statische Magnetfeld vorhanden ist, besteht die Schwierigkeit, den supraleitenden Magneten 220b einzustellen. Hinzu kommt die andauernde Zufuhr flüssigen Heliums oder N₂, woduch Wartungs- und Betriebskosten anfallen. Dies ist ein beträchtliches Problem.
Bei dem anderen Verfahren wird der supraleitende Magnet 220b vor der Inspektion erregt, und nach Abschluß der Inspektion wird der Erregungszustand beseitigt. Das Erregen erfolgt durch Kühlen der Innenseite des supraleitenden Magneten 220b mittels flüssigem Helium oder flüssigem N₂, durch anschließendes Zuführen des Kühlmittels, durch Einbringen des Magneten 220b in den mit Gas gefüllten Behälter 215 und durch anschließendes Einspeisen von elektrischem Strom aus der Energiequelle 223 für die Erregung. Nach der Inspektion wird der Strom abgeschaltet, und die Brennstoffkassette 1 wird aus dem Behälter 215 entnommen. Das Kühlmittel wird dann wiedergewonnen, und die Temperatur im inneren des Magneten 220b wird erhöht. Bei diesem Verfahren kann das Kühlen und Erwärmen des Magneten 220b vor bzw. nach der Inspektion mühsam sein, jedoch ist der Gesamtablauf relativ einfach und bedingt keine Aufrechterhaltungskosten, da daß magnetische Feld bei der Einstellzeit nicht vorhanden ist.
Die Ausgestaltung der Trimmspulenanordnung ist bei dieser zweiten Ausführungsform im wesentlichen identisch mit der Ausgestaltung nach 6, die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde. Auf eine Wiederholung der Beschreibung wird verzichtet.
Die Hochfrequenz-Spulenanordnung 222 dient zum Anlegen eines hochfrequenten Magnetfeldes in Form eines Impulses, wodurch Wasserstoff-Atomkerne in magnetische Resonanz innerhalb des statischen Magnetfeldes gelangen, und zwar in einer Richtung senkrecht zu dem statischen Magnetfeld. Außerdem wird mit Hilfe der Hochfrequenz-Spulenanordnung ein magnetisches Resonanzsignal oder Kernspin-Resonanz-Signal (MR-Signal) erfaßt. Normalerweise wird für die Hochfrequenz-Spulenanordnung 222 eine sattelförmige Spulenanordnung 246 verwendet, wie sie z.B. in 29 gezeigt ist. Die sattelförmige Spule 246 in 29 besitzt eine Struktur, die sich zum Erzeugen eines hochfrequenten Magnetfeldes B₁ eignet, welches in Y-Richtung oszilliert. Die Hochfrequenz-Spulenanordnung 222 ist derart aufgebaut, daß eine Impedanzanpassung von beispielsweise 50 Ω erfolgt, um das Empfangen und Senden der Signale effizient durchführen zu können. Bei der Anordnung nach 29 sind Kondensatoren C₀ und C₁ vorgesehen, mit denen eine Abstimmung bzw. eine Anpassung erfolgt. Da bei dieser Ausführungsform das abzubildende Objekt auf die Brennstoffkassette 1 festgelegt ist, muß man nicht bei jeder Inspektion eine Impedanzanpassung vornehmen, man kann vielmehr die Impedanz vorab mit Hilfe eines Phantoms einstellen, welches aus einer simulierten Kernstoffbrennstoffkassette und dem den Behälter ausfüllenden speziellen Gas besteht, wie es in 8 gezeigt ist.
30 zeigt ein Impulsdiagramm einer Impulsfolge für den Fall, daß das MR-Bild unter Verwendung des MRI-Systems gewonnen wird. Das Meßgerät 211 wird zunächst in der mit Gas gefüllten Kammer des Behälter 215 eingestellt, und die von dem kanalförmigen Kasten entkleidete Brennstoffkassette 1 wird in den Führungsabschnitt 250 des Meßgeräts 211 eingesetzt. Dann wird elektrische Leistung in die Hochfrequenz-Spulenanordnung 222 und die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 221 eingespeist, um die Wasserstoff-Atomkerne selektiv in einem gewünschte Querschnitt der Brennstoffkassette 1 zu erregen. Zur Auswahl der Scheiben- oder Schichtfläche wird ein Hochfrequenzimpuls, in welchem eine Sinusfunktion durch eine MR-Frequenz moduliert ist, üblicherweise an die Hochfrequenz-Spulenanordnung 222 angelegt, während die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung 221 ein Gradientenmagnetfeld Gz in Form eines Impulses mit einem Gradienten in axialer Richtung senkrecht zu der Scheibenfläche anlegt. 30 zeigt ein Beispiel, bei dem ein zu der Z-Achse senkrechter Querschnitt durch Anlegen des Gradientenmagnetfelds Gz in Z-Richtung ausgewählt wird.
Beim nächsten Schritt werden die Gradientenmagnetfelder Gx und Gy aus zwei sich rechtwinklig schneidenen Richtungen in dem senkrecht auf der Z-Achse stehenden Querschnitt in Form von Impulsen angelegt, um MR-Signale zu erzeugen, die sich beobachten lassen. Bei dem Beispiel nach 30 wird für die Vorbehandlungsrichtung das X-Gradientenmagnetfeld Gx und für die Kodierungsrichtung das Y-Gradientenmagnetfeld Gy verwendet. Eine Gruppenfolge gemäß 30 wird mit einer bestimmten Häufigkeit wiederholt, wobei die Intensität des Gradientenmagnetfeldes Gy in Kodierungsrichtung geändert wird. Die Anzahl der Häufigkeit beträgt bei einem MR-Bild in Form einer 256 × 256-Matrix typischerweise 256 oder 128.
31 zeigt ein Beispiel für ein MR-Bild mit einem Horizontalschnitt durch die Brennstoffkassette 1, welches durch die Sequenz nach 30 erhalten wird. Gemäß 31 erscheint der Brennstoffstab 3 als ruhende, d.h. signalfreie Fläche, während das CF₄-Gas 245, welches die Lücke zwischen den Brennstoffstäben 3 ausfüllt, als Hochsignal-Bereich in Erscheinung tritt. Der Brennstoffstab 3 hat eine elektrische Leitfähigkeit, die niedriger ist als die von Kupfer und gegenüber der Leitfähigkeit von Kupfer lediglich 1/10 beträgt. Dementsprechend wirkt der Brennstoffstab 3 als Abschirmung gegenüber der Hochfrequenz. Deshalb erscheinen in der Zeichnung nach 31 als schrägschraffierte Bereiche 251 angedeutete Schatten der Brennstoffstäbe 3, wenn das Hochfrequenz-Magnetfeld, welches durch die Spulenanordnung 222 erzeugt wird, in Y-Richtung aufgebracht wird. Im Bild erscheinen dort etwas dunklere Bereiche.
Um derartige Ungleichmäßigkeiten des MR-Bildes auszuschließen, wird vorzugsweise von einem kreisförmig polarisierten Feld Gebrauch gemacht, ohne daß ein Hochfrequenzfeld, d.h. ein linear polarisiertes Feld verwendet wird, welches in einer Richtung oszilliert. 32 zeigt ein Beispiel für eine Hochfrequenz-Spulenanordnung 222a, die sich dazu eignet ein solches kreisförmig polarisiertes Feld zu erzeugen. Die Spulenanordnung 222a setzt sich zusammen aus sattelförmigen Spulen 252 und 253, die der in 29 dargestellten Form gleichen und so angeordnet sind, daß Hochfrequenz-Magnetfelder erzeugt werden, deren Richtungen senkrecht aufeinander stehen. Man kann ein im wesentlichen kreisförmig polarisiertes Feld in dem Abbildungsbereich im inneren der Spulenanordnung 222a dadurch erzeugen, daß man die gleiche Leistung bei gleichen hohen Frequenzen mit einem Phasenunterschied von 90° anlegt, um das MR-Bild zu unterdrücken.
Bei dieser Ausführungsform besitzt die Duplexereinheit 227 im wesentlichen den gleichen Aufbau, wie er oben beim ersten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit 12 erläutert wurde.
Beim Betrieb werden Signale von den beiden Spulen 252 und 253 der Spulenanordnung 222 spannungsmäßig addiert, während sich Rauschen leistungsmäßig addiert, so daß sich ein das Rauschverhältnis (S/N-Verhältnis) intensivierender Effekt einstellt. Da die von einem abzubildenden Objekt symmetrisch bezüglich der Richtungen der jeweils polarisierten Felder erhaltenen Signale identische Signale und identisches Rauschen für die jeweiligen Spulen 252 und 253 aufweisen und dieses Rauschen nicht zueinander in Beziehung steht, erhält man das zweifache der Amplituden der MR-Signale, während das Rauschen den 1,4-fachen Wert annimmt. Damit läßt sich der Rauschabstand um das 1,4-fache verbessern, indem man die Phasen der MR-Signale addiert.
Die Arbeitsweise der Duplexer 254 und 256 erfolgt so, daß der Duplexer 254 beim Senden von Signalen eingeschaltet und der Duplexer 256 ausgeschaltet wird, während beim Empfang der Duplexer 254 ausgeschaltet und der Duplexer 256 eingeschaltet ist.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, hat das MR-Bild gemäß 13 im wesentlichen gleichförmige Dichte, wenn man das kreisförmig polarisierte Feld mit Hilfe der Hochfrequenz-Spulenanordnung 222 anwendet. Für den Fall, daß die Querschnittsform des abzubildenden Objekts eine komplizierte Gestalt hat, besteht die Möglichkeit, auch dann ein ungleichmäßiges MR-Bild zu erhalten, wenn von einem kreisförmig polarisierten Feld Gebrauch gemacht wird. In diesem Fall wird die zu prüfende Brennstoffkassette 1 gedreht, um sie aus unterschiedlichen Winkeln zu messen. Die dadurch erhaltenen Daten werden von dem Rechner 230 einer Zusammensetzungs-Verarbeitung unterzogen, so daß ein gleichmäßiges MR-Bild entsteht. Im übrigen werden die Signale binär unterschieden, d.h. durch "0" und "1", wobei diese Unterscheidung zur Zeit der Bildverarbeitung erfolgt. Signale, die gleiche Abschnitte repräsentieren, werden derart verarbeitet, daß sie auch gleiche Pegel besitzen. Bei dieser Datenverarbeitungsmethode läßt sich der Kontrast des Bildes verbessern.
Es ist klar, daß spezielle Varianten des Lückenmeßgeräts des ersten Ausführungsbeispiels, beispielsweise wie in 3 gezeigt, auch bei dieser zweiten Ausführungsform angewendet werden, ohne daß besondere Änderungen vorgenommen werden müssen. Anstelle des Kühlwassers tritt lediglich das Gas.

Claims

Vorrichtung zum Messen von Lücken zwischen benachbarten Brennstäben oder zwischen einem Wasserstab und benachbarten Brennstäben einer Brennstoffkassette, in welcher Stäbe in Form eines Gitters (im Querschnitt) angeordnet und von einer Abstandseinrichtung gehaltert sind, gekennzeichnet durch einen die Gitteranordnung der Stäbe aufnehmenden Behälter (11), der mit einem eine Kernspin-Resonanzerscheinung aufweisenden Kühl-Fluid gefüllt ist, eine in den Behälter eingestellte Meßeinrichtung mit einer Magneteinrichtung und einer Spuleneinrichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern, wobei die Spuleneinrichtung eine Spulenanordnung zum Erzeugen von Gradientenmagnetfeldern und eine Spulenanordnung zum Erzeugen eines Hochfrequenz-Magnetfeldes und zum Erfassen eines Kernspin-Resonanzsignals enthält; eine Steuereinrichtung zum Steuern der Magnetfelder, die von den jeweiligen Magneteinrichtungen und Spulenanordnungen erzeugt werden; und eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Durchführen einer Datenverarbeitung in Abhängigkeit eines von der Steuereinrichtung gesendeten Signals, wobei die Verteilung des Fluids in der in dem Behälter eingestellten Brennstoffkassette als Schnittbild der Brennstoffkassette verarbeitet wird, um auf diese Weise die Lücke zwischen benachbarten Brennstäben oder zwischen einem Brennstab und dem Wasserstab zu messen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuereinrichtung eine Energiequelle zum Erregen der Spuleneinrichtung aufweist, damit letztere das Magnetfeld erzeugt, und eine Duplexereinheit besitzt, über die Hochfrequenzleistung auf die zum Erzeugen der Hochfrequenz dienende Spulenanordnung gegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Datenverarbeitungseinrichtung eine Ablaufsteuerung erhält, die mit der Steuereinrichtung gekoppelt ist, eine mit der Steuereinheit verbundene Datenspeichereinheit enthält, und einen Rechner aufweist, der an die Datenspeichereinheit und eine Bildanzeigeeinheit angeschlossen ist, um ein von dem Rechner verarbeitetes Bild darzustellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Meßeinrichtung einen zylindrischen Magneten, der mit einer Spule in Form eines Solenoids ausgestattet ist, um ein statisches Magnetfeld zu erzeugen, eine Spulenanordnung zum Justieren eines Magnetfeldes und eine Kabeleinrichtung, die ein Kabel zum Speisen des Magneten, ein Kabel zum Speisen der Magnetfeld-Justierspulenanordnung, ein Kabel zum Speisen der Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung und ein Kabel zum Speisen der Hochfrequenz-Spulenanordnung aufweist, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Leitungseinrichtung für die Zufuhr eines Kühlmittels, um den Magneten zu kühlen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Leitungseinrichtung von einem Wärmeisoliermaterial abgedeckt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung sich im Inneren des zylindrischen Magneten befindet und ein Gradientenmagnetfeld mit Primärgradienten in drei sich unter rechtem Winkel schneidenden Richtungen erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Spulenanordnungen zum Justieren des Magnetfeldes, zum Erzeugen des Gradientenmagnetfeldes und zum Erzeugen der Hochfrequenz jeweils im Inneren des Magneten angeordnet und fest abgedeckt sind durch ein Harzmaterial, welches verhindert, dass die Spulenanordnungen direkt mit dem in dem Behälter befindlichen Fluid in Berührung gelangen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der das die Hochfrequenz-Spulenanordnung bedeckende Harzmaterial einen kleinen dielektrischen Verlustfaktor aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Spulenanordnung zum Erzeugen der Hochfrequenz aus einer sattelförmigen Spulenanordnung zum Anlegen einer impulsförmigen Hochfrequenz ausgebildet ist, wodurch Wasserstoff-Atomkerne in magnetische Resonanz innerhalb des statischen Magnetfeldes senkrecht zur Richtung des statischen Magnetfeldes gelangen, wobei die Spulenanordnung außerdem ein Kernspinresonanz-Signal empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Hochfrequenz-Spulenanordnung mittels eines Kondensators einer Impedanzanpassung unterzogen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Hochfrequenz-Spulenanordnung aus sattelförmigen Spulen besteht, welche derart angeordnet sind, daß die von den Spulen erzeugten Hochfrequenzfelder einander unter rechtem Winkel schneiden, um so ein kreisförmig polarisiertes Feld zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem die Meßeinrichtung sich zusammensetzt aus einem Magneten zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes, einer im Inneren des Magneten angeordneten Spulenanordnung zum Erzeugen des Gradientenmagnetfeldes, und einer Spulenanordnung zum Erzeugen eines Hochfrequenz-Magnetfelds sowie zum Empfangen eines Kernspinresonanz-Signals, wobei der Magnet das statische Magnetfeld in einer Richtung erzeugt, die etwa senkrecht auf der axialen Richtung der in dem Behälter eingestellten Brennstoffkassette steht, die Gradientenmagnetfeld-Spulenanordnung Gradientenmagnetfelder in zwei sich unter rechtem Winkel kreuzenden Richtungen in einer die axiale Richtung der Brennstoffkassette etwa rechtwinklig kreuzenden Ebene erzeugt, und die Hochfrequenz-Spulenanordnung eine Hochfrequenz in einer Richtung erzeugt, die etwa parallel zur Axialrichtung der Brennstoffkassette verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Magnet ein Permanentmagnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der Permanentmagnet eine im wesentlichen C-förmige Gestalt hat und sich zusammensetzt aus einem Paar Magnetstücken, die mit sich gegenüberliegenden Stirnflächen angeordnet sind, wobei ein ferromagnetischer Körper die Magnetstücke zu einer einstückigen Struktur verbindet, während Polstücke an den einander gegenüberliegenden Stirnflächen der Magnetstücke angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die Gradientenmagnetfelder-Spulenanordnung eine Spulenanordnung vom Anderson-Typ umfaßt, um ein Gradientenmagnetfeld mit Primärgradienten parallel zu dem statischen Magnetfeld in drei sich unter rechtem Winkel kreuzenden Richtungen zu erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der die Spulenanordnungen zum Erzeugen der Gradientenmagnetfelder und zum Erzeugen des Hochfrequenz-Magnetfelds jeweils im Inneren des Magneten angeordnet sind und fest durch ein Harzmaterial abgedeckt sind, wodurch verhindert wird, daß die Spulenanordnungen in direkte Berührung mit dem in dem Behälter befindlichen Fluid gelangen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, bei dem das Harzmaterial, welches die Hochfrequenz-Spulenanordnung abdeckt, einen kleinen dielektrischen Verlustfaktor besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Spulenanordnung zum Erzeugen der Hochfrequenz aus einer sattelförmigen Spulenanordnung besteht, mit der impulsförmig ein Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugt wird, durch das die Wasserstoff-Atomkerne innerhalb des statischen Magnetfeldes in magnetische Resonanz in einer Richtung senkrecht zu dem statischen Magnetfeld gelangen, wobei die Hochfrequenz-Spulenanordnung außerdem ein Kernspinresonanz-Signal erfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der die Hochfrequenz-Spulenanordnung mit Hilfe eines Kondensators einer Impedanzanpassung unterzogen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die Hochfrequenz-Spulenanordnung aus sattelförmigen Spulen besteht, welche derart angeordnet sind, daß die durch die Spulen erzeugten Hochfrequenz-Magnetfelder einander unter rechtem Winkel kreuzen, um ein kreisförmig polarisiertes Feld zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Magnet ein Elektromagnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der der Elektromagnet einen etwa C-förmigen Aufbau besitzt und aus einem C-förmigen ferromagnetischen Körper besteht, um den eine Spule gewickelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Magnet durch eine Helmholtz-Anordnung gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei der das Fluid ein den Behälter füllendes Kühlwasser ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, bei der das Fluid ein den Behälter ausfüllendes Gas ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, bei der das Gas ein CF4-Gas ist.
Verfahren zum Messen von Lücken zwischen benachbarten Brennstäben oder zwischen einem Wasserstab und benachbarten Brennstäben, einer Brennstoffkassette, in welcher die Stäbe in Form eines Gitters (im Querschnitt) angeordnet und von einer Abstandseinrichtung gehaltert sind, wobei von einer Lückenmeßvorrichtung (15, 115, 211) Gebrauch gemacht wird, die die Kernspin-Resonanz ausnutzt, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines mit einem eine Kernspin-Resonanzerscheinung aufweisenden Fluid gefüllten Behälters; Einsetzen der Lückenmeßvorrichtung in das in dem Behälter befindliche Fluid; Anordnen einer zu inspizierenden Gitteranordnung von Stäben der Brennstoffkassette in einem vorbestimmten Abschnitt des Behälters; Messen der Verteilung des Fluids, welches die Zwischenräume der in den Behälter eingesetzten Gitteranordnung von Stäben ausfüllt, unter Ausnutzung der Kernspin-Resonanz; und Messen der Lücken nach Maßgabe der Fluidverteilung als Bild.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem das Fluid ein Kühlwasser ist.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem das Fluid ein Gas ist.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem das Gas CF₄ ist.