SE440828B - Sett att detektera en paramagnetisk tillsats i ett paramagnetiskt grundmaterial av avsevert skiljaktlig susceptibilitet samt anordning for genomforande av settet - Google Patents

Description

393% 13%) 2 När en tillsats har ett magnetiskt susceptibiïitetstal, som i tillräcklig grad är större än dess med detsamma blandade kärnbränslets magnetiska susceptibilitetstal, kan dess suscep- tibilitetstal i ett magnetfält mätas för bestämning av läget och mängden för tillsatsen i bränsleelementet.

Typiska kärnbränslen, såsom oxider av uran och plutonium, är paramagnetiska. Exempelvis är urandioxidens (UO2) suscepti- 6 bilitetstal vid rumstemperatur 8,76 x 10" emu/g-Ö (elektromag- netisk enhet/gram-ÖrstedL Av en slump är gadolinoxidens (Gd203) susceptibilitetstal vid rumstemperatur avsevärt större, nämligen 147 x lnfö emu/g-ö. Denna skillnad är tillräcklig för att möjliggöra magnetisk bestämning av gadolintillsatsinnehål- let i kärnbränsle.

Ett problem, som komplicerar den magnetiska bestämningen av gadolin eller andra paramagnetiska tillsatser i kärnbränsle, är förhandenvaron av ferromagnetiska föroreningar, exempelvis järn, och ett typiskt bränsle innehåller 100 ppm eller mer av sådana föroreningar. Sådana ferromagnetiska föroreningars sus- ceptibilitetstal är mycket högt i svaga magnetfält men minskar starkt i starka magnetfält, då de tenderar att mättas.

Detta utnyttjas för ett sätt och en apparat för magnetisk bestämning av Gd2O3-innehållet i UO2-bränslepelletter enligt 1976. Såsom beskri- vits i denna mättas de ferromagnetiska inneslutningarna med ett starkt, konstant magnetiskt belastningsfält, medan gadolinínne- den amerikanska patentansökningen 754 581, hållet i bränslet bestämmes genom mätning av växelströmssuscep- tibilitetstalet med begagnande av en induktiv teknik.

Allmän information beträffande magnetiska material och egenskaper kan erhållas ur "Magnetism and Metallurgy", samman- ställd av A.

York, 1969.

De för uppfinningen kännetecknande särdragen framgår av Berkowitz och E. Kneller, Academic Press, New bifogade patentkrav.

Uppfinningen förklaras närmare i det följande med hänvis- ning till bifogade ritningar.

Fig. l visar typiska magnetiseringskurvor för gadolin och ferromagnetiska föroreningar, fig. 2 visar schematiskt en supraledande magnet, 790661 3- 0 3 fig. 3A visar schematiskt ett par magneter och tillhörande kretsar enligt en utföringsform av uppfinningen, fig. 3B visar schematiskt en krets för begagnande vid arrangemanget enligt fig. 3A för bestämning av innehållet av ferromagnetisk förorening, fig. 4 visar schematiskt en utföringsform med densitome- terorgan för densitetskorrektion och hålrumsdetektering, och fig. 5 är ett dataschema, som avser ett exemplifierande bränsleelement, som testats med apparaten enligt fig. 4.

Paramagnetiska materials magnetisering M ökar linjärt med det anbragta fältet H enligt förhållandet M = xn, där x är det paramagnetiska materialets susceptibilitetstal. En typisk mag- netiseringskurva för gadolintillsats av ungefär 2,0 viktspro- cent i uranoxid visas med den brutna linjen i fig. l.

Emellertid minskas, då ett anbragt fält H ökas, det ferro- magnetiska materialets susceptibilitet, och dess magnetisering M når en gräns, som beror på mängden material. Detta belyses i fig. 1 av representativa magnetiserings-(M/H)-kurvor för ferro- magnetiska föroreningsinnehåll av 25, 100 och 250 ppm i uran- oxid. Härav framgår, att ferromagnetiska föroreningar i huvud- sak mättas av fält över ungeför 20 Kö. Vanliga elektromagneter och permanentmagneter kan ge fältstyrkor av upp till 10 Kö. För högre fältstyrkor kan supraledande solenoider eller elektromag- neter begagnas. En supraledande magnet 14' visas i fig. 2.

Sådana magneter beskrives i exempelvis V.L. Newhouse i “Applied Superconductivityfi John Wiley &Sons, Inc” New York,l964.I typfallet innefattar den supraledande magneten 14' en spole eller kärna l5 av ett supraledande material, exempelvis niob~ titan ansluten såsom en bestående strömslinga och hållen vid supraledande temperatur medelst flytande helium i en i avdel- ningar uppdelad, vakuumisolerad behållare eller ett Dewar-kärl 19, som kyles medelst en kylenhet 21. Sådana supraledande mag- neter kan exempelvis erhållas från Intermagnetics General Cor- poration, Guilderland, New York.

I ett magnetfält av ungefär 5 KÖ ger en ändring i inne- hållet av ferromagnetisk järnförorening av storleksordningen 100 ppm en susceptibilitetsändringssiqnal, som är likvärdig med en ändring i gadolininnehåll av ungefär 3 viktsprncent. För 4 noggrann bestämning av innehållet av paramagnetisk tillsats måste sålunda bidraget från en okänd mängd ferromagnetisk för- orening till susceptibilitetsändringssignalen väsentligen eli- mineras.

Fig. 3A visar en apparat för bestämning av mängden para- magnetisk tillsats, exempelvis gadolin, i ett annat paramagne- tiskt material av väsentligt annan paramagnetisk susceptibili- tet, exempelvis kärnbränsle och innehållande ferromagnetiska föroreningar, exempelvis järn, av okänd mängd.

Vid denna utföringsform är ett par magneter 36 och 38 anordnade på avstånd från varandra med sina urborrningar 32 och 34 axiellt i linje med varandra. Magneterna 36 och 38 kan vara av den ovan beskrivna eller i fig.2 visade typen men av andra fältstyrkor. För diskussionens skull antages, att magneten 36 har den större fältstyrkan.

I magneternas 36 och 38 urborrningar är de respektive av- känningsspolarna 40 och 42 placerade. Ett element 30 innehål- lande det bränslematerial, som skall granskas (inklusive kärn- bränsle, en paramagnetisk tillsats och ferromagnetiska förore- ningar) föres med konstant hastighet genom avkänningsspolarna 40 och 42, varigenom ändringar i bränslematerialets susceptibi- litet ger upphov till utsignaler V1 respektive V2 På leåníngef- na 60 respektive 61.

Signalen V1 på ledningen 60 tillföres en fördröjning 64.

Fördröjningen 64 fördröjer signalen V1 från spolen 40, så att den uppträder vid utgången från fördröjningen.på så sätt, att den i tiden sammanfaller med signalen V2 från samma inkrement av elementet 30. Fördröjningen 64 justeras lämpligen så, att dess fördröjningstid kan korreleras med elementets 30 hastighet genom avkänningsspolarna 40 och 42 (en lämplig sådan fördröj- ning kan exempelvis erhållas från Reticon Corporation, Sunnyvale, Californien, Amßs., och visas i företagets broschyr nummer 57324).

Den fördröjda signalen V1 Vid utgången från fördröjningen 64 tillföres genom en förstärkningsreglerad förstärkare 62 till den ena ingången till en differentialförstärkare 65, medan Signalen V2 genom en förstärkningsreglerad förstärkare 63 tillföres den andra ingången till differentialförstärkaren 65. -7906613-0 De förstärkningsreglerade förstärkarna modifierar sig- nalernas V1 och V2 nivåer i enlighet med på förhand bestämda kgnstanter Kl och K2 i systemet, varigenom (såsom utförligare beskrives nedan) bidraget från den ferromagnetiska föroreningen till signalen väsentligen elimineras och skillnadssignalen G vid utgången från differentialförstärkaren 65 blir proportio- nell mot mängden paramagnetisk tillsats.

Den tillsatsen indikerande signalen G kan integreras medelst integreringsförstärkaren 17 och upptecknas av en blad- eller bandskrivare 26 och (eller alternativt) tillföras en databehandlingsanordning 28. Alternativt kan signalerna på ledningarna 60 och 61 omvandlas till digital form och tillföras en välkänd databehandlingsanordning, vari komponenternas 62~65 och 17 funktioner kan utföras på känt sätt.

De båda magneternas 36 och 38 styrkor bör vara höga för maximering av känsligheten och mättning av järnkomponenten. Å andra sidan är deras styrkor lämpligen i väsentlig mån olika för att man skall erhålla en lämplig nivå för skillnadssignalen G. Ett styrkeförhållande av ungefär två har befunnits lämpligt i praktiken. Exempelvis kan magneten 36 ha en fältstyrka av ungefär 60 KÖ och magneten 38 en fältstyrka av ungefär 30 Kö.

Skillnadssignalen G, som är direkt proportionell mot mängden paramagnetisk tillsats är relaterad till konstanten Kl och K2 och spänningarna V1 och V2 enligt följande uttryck, KlVl - KZV2. (1)G= Kl Oüh K2 är konstanter i systemet, vilka, sedan de på lämpligt sätt bestämts, ger eliminering av bidraget till signalen G från de ferromagnetiska föroreningarna.

För ett givet system och givna systemarbetsbetingelser kan Kl 0Ch K2 mycket lätt bestämmas empiriskt, exempelvis på följande sätt: Åtminstone två testelement 30 erfordras, vart och ett av vilka skall innehålla en noggrant känd ändring i tillsatsinnehållet längs dess längd (ett enda element kan begagnas, vilket har känd tillsatsinnehålländring vid två lämp- ligt från varandra skilda ställen längs dess längd). För erhfi1~ lande av noggrannhet i bestämningen av Kl och K2 bör tillsats- wssssffz-»n 6 ändringarna i de två testavsnitten vara signifikant olika.

Exempelvis kan det första uppvisa en ändring i tillsatsinnehåll av 2 och den andra en ändring av 6 viktsprocent gadolinoxid i uranoxid.

Det första testelementet föres genom spolarna 40 och 42 med den för systemet på förhand bestämda elementhastigheten, och en första uppsättning spänningar V1 och V2, på ledningarna 60 och 61, till följd av ändringen i tillsatsinnehållet i ele- mentet mätes. Det andra testelementet föres därefter genom spolarna 40 och 42, och en andra uppsättning erhållna spännin- gar Vl och V2 mätes på liknande sätt. Dessa båda uppsättningar numeriska värden för signalerna V1 och V2 och de motsvarande kända numeriska värdena för det kända tillsatsinnehållet insättes i förhålandet (1) ovan, Härigenom erhålles två ekva- tioner, av vilka numeriska värden för Kl Och K2 kan bestämmas- De förstärkningsreglerade förstärkarna 62 och 63 kan därefter justeras för att representera dessa numeriska värden för Kl OCH K2. Noggrannheten i bestämningen av Kl och K2 kan förbättras med begagnande av ytterligare testelement med känd tillsats- innehålländring.

Apparaten enligt fig. 3A kan även begagnas för bestämning av innehållet av ferromagnetisk förorening i elementet 30.

Såsom framgår av fig. 3B är utsignalen från summeringsförstär- karten 65' en signal I, som är proportionell mot det ferromag- netiska innehållet enligt följande: (2) I = K3vl+r<4 2.

Den förstärkningsreglerade förstärkaren 62' mottager den fördröjda Signalen V1, medan den förstärkningsreglerade för- stärkaren 63' mottager signalen V2- Konstanterna K3 Och K4 kan bestämmas (och förstärkarna 62' och 63' justeras för att repre- sentera dessa konstanter) genom begagnande av testelement, som innehåller känd ändring i det ferromagnetiska innehållet på det för bestänunningen av Kl och K2 ovan beskrivna sättet. Förhål- landet (2) gäller strikt för fall, där den ferromagnetiska för- oreníngen är mättad, dvs. för tillräckligt stora magnetfält.

För fältstyrkor, som icke är tillräckliga för att mätta den 79066134) 7 magnetiska föroreningen, är förhållandet mera komplicerat och är relaterat till formen för den ferromagnetiska föroreningens magnetiseringskurva.

Kretsen enligt fig. 3B kan ersätta motsvarande krets (ele- menten 62, 63 och 65) i fig. 3A eller kan den parallellkopplas därmed för samtidig indikering av innehållet av tillsats och ferromagnetisk förorening (denna krets funktion kan även utföras medelst lämpligt programmerade databehandlingsorgan).

Fig. 4 visar ett utförande av uppfinningen, som innefattar organ för kompensering av tillsatsindikeringssígnalen för änd- ringar i materialets i bränsleelementet densitet.

I övrigt är grundarrangemanget och arbetssättet likartat arrangemanget och arbetssättet för utförandet enligt fig. 3A, och samma hänvisningsbeteckningar begagnas för varandra motsva- rande element.

En ändring i bränslematerialets i elementet 30 densitet förorsakar en proportionell ändring i tillsatsindikeringssigna- len G, eftersom magnetisering är direkt proportionell mot massa. Det är därför önskvärt att korrigera tillsatsindike- ringssignalen i enlighet med densitet.

Då bränslematerialet föreligger i form av pelletter, kan även flisor från sådana pelletter saknas eller kan det förekom- ma gap mellan pelletter, vilka ger stora, lokaliserade ändrin- gar i bränslematerialdensiteten, som inducerar motsvarande spänningar i avkänningsspolarna 40 och 42. Sådana tomma volymer av upp till 5 mm3 har befunnits ha försumbar effekt på bestäm- ningen av den paramagnetiska tillsatsen. För större tomma volymer är det emellertid önskvärt att anordna organ för att förhindra att en signal till följd av ett sådant hålrum miss- uppfattas såsom en signal till följd av en ändring i tillsats- innehållet.

Såsom framgår av fig. 4 avkännes materialets i elementet densitet av en gammastråledensitometer, innefattande en lämplig gammastrålekälla 140 och en gammastråledetektor l4L placerade på ömse sidor om elementet 30. Källan 140 riktar ett knippe 144 av gammastrålar in i elementet 30. Knippet 144 dim- pas, då det passerar genom elementet 30, i. proportion til! det däri befintliga materialets densitet, och detektorn 142 ger Wåßílïïxsß 8 sålunda upphov till en utsignal De, som är proportionell mot materialdensiteten.

Signalen De tillföres en fördröjning 146, vars fördröj- ningstid är vald eller justerad att bringa den fördröjda densi- tetssignalen Dd till tidskoincidens med den tillsatsindikeran- de signalen G (vid utgången från differentialförstärkaren 65L Signalen pd tillföres en inverterande förstärkare l48, vars ”utsignal utgöres av en belastningsspänning, som tillföres en belastningsingång till en förstärkningsreglerad förstärkare 150, vilken mottager signalen G vid sin andra ingång.

Förstärkarens l5O utsignal är sålunda signalen G kompenserad för bränslematerialets densitetsändringar.

Densitetssignalen på tillföres även en tröskelkrets 152, som ger upphov till en utsignal, först då dess insignal över- skrider en på förhand bestämd nivå. Tröskelkretsens 152 utsignal tillföres en belastningsingång till en förstärknings- reglerad förstärkare 154, vilken är seriekopplad mellan för- stärkaren l5O och anordningens utgång (skrivaren 26 och datas- behandlingsorganet 28). Då sålunda signalen Da överskrider en på förhand bestämd nivå (såsom på grund av ett tomrum, exempel- vis ett gap mellan pelletter eller en tillräckligt stor ändring i bränslematerialets densitet) pålägger tröskelkretsen l52 en strypspänning på förstärkaren 154 och förhindrar därigenom sig- nalen från differentialförstärkaren 65 till följd av hålrummet att nå anordningens utorgan (den hålrumsindikerande signalen från kretsen 152 blir även tillgänglig vid en anslutning 156 och kan begagnas för signalering och/eller registrering av upp- trädandet av sådana hålrum). Exempelvis kan denna signal till- föras ingångarna till skrivaren 26 och databehandlingsorganet 28 såsom visas med den brutna linjen 158.

Tröskelkretsen 152 kan vara en välkänd Schmitt-trigg- krets, exempelvis den som visas i A.I. Pressman i "Design of Transistorized Circuits for Digital Computers", John F. Rider Publisher, Inc., New York, 1959. Alternativt kan elementens 146, 148, 152 och 154 funktioner utföras medelst lämpliga data- behandlingsorgan.

Gammastrålekällan 140 innefattar omkring en vurie radio- aktivt cesium i ett skärmande hölje med en utgångsöppning, 7906f6-1r3-10 9 inklusive kollimeringsorgan, för att rikta ett smalt knippe av gammastrålar in i elementet 30.

Gammastråledetektorn kan innefatta en välkänd natrium- jodidkristallscintillator i kombination med en fotomultiplika- tor, exempelvis enligt WJL Price i“Nuclear Radiation Detec- tion", McGraw-Hill Book Company, 1964.

Densitetskompenserings- och hålrumsdetekteringsarrange- mangets justering ocl1kalibrering kan utföras medelst begag- nande av provelement 30, som innehåller material av kända den- sitetsändringar och hålrum.

Vid ett exempel var apparaten funktionellt likvärdig arrangemanget enligt fig. 4. Magneterna 36 och 38 utgjordes av supraledande solenoider, och magneterna gav fält av 70 respek- tive 35 KÖ. Magneterna 36 och 38 var inneslutna i samma isole- rade behållare eller Dewar-kärl, varvid avståndet mellan avkän- ningsspolarna 40 och 42 uppgick till ungefär 25 cm.

Denna apparat begagnades för avsökning av ett exemplifie- rande bränsleelement, klätt med zirkoniumlegering och av en ytterdiameter av ungefär l cm samt innehållande en kolonn av bränslepelletter av ungefär 3,5 meters längd. Bränsleelementet fördes genom avkänningsspolarna 40 och 42 med en hastighet av ungefär 4,6 meter per minut. Bränslet var i bränsleelementet anordnat i l7 zoner av olika längder och med olika gadolininne- håll. Resultaten av en avsökning av detta bränsleelement visas i fig. 5, där den gadolinindikerande signalen uttryckes i viktsprocent gadolin. Bränslematerialets i de olika zonernas densitet,bestämt medelst gammastråledensitometern,återges även liksom den avsedda gadolinviktsprocenten. Även om uppfinningen här beskrivits såsom tillämpad på bestämningen av innehållet i kärnbränsle av paramagnetiskt tillsats och ferromagnetisk förorening, kan uppfinningen begag- nas för andra, analoga syften, exempelvis bestämning av inne- hållet av ferromagnetiskt material i ett paramagnetiskt grund-_ material och/eller innehållet av paramagnetisk tillsats i ett paramagnetiskt grundmaterial, där tillsatsens och grundmateria- lets paramagnetiska susceptibiliteter är i tillräcklig mån olika.

Claims (15)

.íïšf-fl 10 PATENTKRAV

1. l. Sätt att detektera en paramagnetisk tillsats i ett para- magnetiskt grundmaterial av avsevärt skiljaktig susceptibilitet, k ä n n e t e c k n a t av att första och andra liksktröms- magnetfält av olika styrka större än ungefär 1000 Ö upprättas, att i varje magnetfält anordnas första respektive andra induk- tiva organ för alstrande av signaler, som anger ändringar i susceptibiliteten för material, som förflyttas därintill, att materialet förflyttas intill nämnda första och andra induktiva organ i följd, samt att de från nämnda första och andra induk- tiva organ erhållna signalerna behandlas, vid vilken behandling storleken av signalerna från nämnda första och andra induktiva organ justeras i enlighet med på förhand bestämda konstanter Kl respektive K2 och skillnaden i storlek för de justerade första och andra signalerna från samma inkrementdelar av materialet bestämmes, varigenom tillsatsindikerande signaler erhålles, vilka indikerar tillsatsinnehållet i materialet för varje inkrementdel av detta.

2. Sätt enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t av att de tillsatsindikerande signalerna jämföres med liknande signaler, som erhålles från ett standardmaterial innehållande känt tillsatsinnehåll.

3. Sätt enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k - n a t av att magnetfälten har styrkor av från 1000 till 100000 ö.

4. Sätt enligt något av de föregående patentkraven, k ä n - n e t e c k n a t av att det ena magnetfältets styrka är ungefär dubbelt så stor som det andra magnetfältets styrka.

5. Sätt enligt något av de föregående patentkraven, k ä n - n e t e c k n a t av att magnetfältens styrkor är större än 10000 Ö och upprättas medelst supraledande magneter. 1906613-o ll

6. Sätt enligt något av de föregående patentkraven, k n - n e t e c k n a t av att materialet förflyttas intill nämnda första och andra induktiva organ med konstant hastighet.

7. Sätt enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a t av att hastigheten uppgår till från ungefär 0,3 till ungefär 30 meter per minut.

8. Sätt enligt något av de föregående patentkraverz, k ä n - n e t e c k n a t av att ett material i form av pulver eller pelletter begagnas .

9. Sätt enligt något av de föregående patentkraven. k ä n - n e t e c k n a t av att ett material begagnas, vilket är i form av pelletter, som är inneslutna i en beklädnad bildande ett kärnbräns le element .

10. Sätt enligt något av de föregående patentkraven, k ä n - n e t e c k n a t av att ett material, som utgöres av en sammansättning av uran, plutonium, torium eller blandningar därav , begagnas .

11. ll. Sätt enligt något av de föregående patentkraven, k n ~ n e t e c k n a t av att ett material, som innefattar en oxid-, karbid- eller nitridförening, begagnas.

12. Sätt enligt något av de föregående patentkraven, k ä n - n e t e c k n a t av att en tillsats, som innefattar gado~ lin, detekteras .

13. Sätt enligt något av de föregående patentkraven, k ä n - n e t e c k n a t av att densiteten av nämnda inkrementdelar av materialet bestämmes, samt att ti1lsatsindikeringssignalen justeras i enlighet med densiteten.

14. Sätt enligt något av de föregående patentkraven, k ä n - n e t e c k n a t av att nämnda behandling innefattar juste- ring av storleken av signalerna från nämnda första och andra 113%? 12 induktiva organ i enlighet med konstanter K3 respektive K4 samt bestämning av summan av storleken av de justerade första och andra signalerna från samma inkrementdelar av materialet, vari- genom en ferromagnetisk indikeringssignal erhålles, vilken in- dikerar innehållet i materialet av ferromagnetisk förorening för varje inkrementdel av materialet.

15. Apparat för bestämning enligt sättet enligt patentkravet 1 av innehållet av paramagnetisk tillsats i ett långsträckt ele- ment av ett paramagnetiskt basmaterial av en susceptibilitet, som är avsevärt mindre än tillsatsens susceptibilitet, k ä n - n e t e c k n a d av från varandra skilda första och andra likströmsmagneter (36, 38) med urborrningar (32, 34), som är axiellt i linje med varandra, och som ger magnetfält av olika styrkor, större än ungefär 1000 Ö, första och andra avkännings- spolar (40, 42), som är placerade i respektive magneters ur- borrningar, organ för att föra nämnda element genom nämnda första och andra avkänningsspolar i följd, varigenom första och andra Signaler (V1: V2) alstras av spolarna som gensvar på änd- ringar i susceptibiliteten hos inkrementdelar av nämnda ele- ment, samt organ för behandling av nämnda signaler, innefattan- de organ (152), som är anordnade att som gensvar på tätheten hos nämnda elements material modifiera signalerna i enlighet med tätheten hos elementets inkrementdelar.