Self-Powered Neutron Detectors ( SPND ) sind Neutronendetektoren, die aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an die Umgebung im Kern häufig in Reaktoren zur Überwachung des Neutronenflusses eingesetzt werden . SPNDs können Teil des Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystems sein, das detaillierte Informationen zur Neutronenflussverteilung und damit zu den Grenzen dieser Spitzenleistungsgrenzen liefert. Diese Detektoren nutzen den grundlegenden radioaktiven Zerfallsprozess ihres Neutronenaktivierungsmaterials, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Wie der Name schon sagt, benötigen SPNDs keine externe Spannungsquelle , um ein Spannungspotential im Detektor zu erzeugen. Stattdessen wird im Detektor als Ergebnis der Neutronenaktivierung ein Strom erzeugtund anschließender Betazerfall des Detektors. Durch die Emission dieser Betateilchen (Elektronen) wird der Draht immer positiver geladen. Das positive Potential des Drahtes bewirkt, dass ein Strom im Widerstand R fließt. Der Elektronenstrom vom Betazerfall kann direkt mit einem Amperemeter gemessen werden.
Der autarke Neutronendetektor bietet zwei Hauptvorteile:
- Es ist sehr wenig Instrumentierung erforderlich, normalerweise nur ein Millivoltmeter oder ein Amperemeter
- Das Emittermaterial hat eine viel längere Lebensdauer als die in Spaltkammern verwendete Bor- oder Uran-235-Auskleidung.
Andererseits gibt es auch Nachteile, die damit verbunden sind, dass Ströme auch bei Volllastbetrieb sehr gering sind. Daher können SPNDs keine Informationen über die Flussverteilung bei Betrieb mit geringer Leistung (10% und weniger) bereitstellen. Der Hauptnachteil des autarken Neutronendetektors besteht darin, dass das Emittermaterial mit einer charakteristischen Halbwertszeit zerfällt, die die Ansprechzeit des Detektors bestimmt. Abhängig von der Reaktionszeit werden diese Detektoren grob klassifiziert als:
- Prompt Response Detektoren . Die Sofortreaktionsdetektoren wie Cobalt und Inconel werden in Reaktorschutz- und -regelungsanwendungen eingesetzt.
- Melder mit verzögerter Reaktion . Die Delayed-Response-Detektoren wie Vanadium und Rhodium werden häufig für das Flux-Mapping-System (FMS) eingesetzt.
Das typische SPND ist ein Koaxialkabel bestehend aus:
- Emitter . Eine innere Elektrode, die aus einem Material besteht, das ein Neutron absorbiert und durch Emittieren eines Elektrons radioaktiv zerfällt (Beta-Zerfall). Der Emitter besteht normalerweise aus Rhodium und wird zur Erzeugung von Elektronen verwendet.
- Isolierung. Der Emitter ist von einer Isolierung umgeben, die üblicherweise aus Aluminiumoxid besteht.
- Sammler . Die Metallwände des Detektors umhüllen diese Teile und dienen als Sammler für die. Elektronen, die erzeugt werden.- Der Kollektor ist an Massepotential angeschlossen,
Selbstversorgte Neutronendetektoren werden normalerweise in das Instrumentenrohr eines Brennelements eingebaut. Sie können die gesamte Länge ausgewählter Brennelemente überwachen, um eine äußerst genaue dreidimensionale Karte der Verteilung des Neutronenflusses zu erhalten . Mit diesen Daten kann die Neutronenflussrekonstruktion auch im übrigen Reaktorkern durchgeführt werden.
Typische Materialien für den Emitter sind Kobalt, Cadmium, Rhodium und Vanadium. Diese Materialien sollten verwendet werden, weil sie relativ hohe Schmelztemperaturen, relativ hohe Querschnitte zu thermischen Neutronen besitzen und mit dem SPND-Herstellungsverfahren kompatibel sind.
Spezielle Referenz: William H. Todt, Sr. EIGENSCHAFTEN SELBSTBETRIEBENER NEUTRONENMELDER, DIE IN LEISTUNGSREAKTOREN VERWENDET WERDEN. Imaging and Sensing Technology Corporation. New York.
Rhodium Emitter – SPND auf Rhodiumbasis
Eines der möglichen Materialien ist Rhodium als Emitter. Ein SPND mit einem Rhodiumemitter hat eine relativ hohe Empfindlichkeit , eine hohe Abbrandrate, stört die lokale Leistungsdichte und hat ein ( zweifach ) verzögertes Signal . Ein Detektor auf Rhodiumbasis ist ein Beta-Strom-Detektor mit eigener Stromversorgung, der die folgende Aktivierungsreaktion verwendet, um einen messbaren Strom zu erzeugen.
1 n + 103 Rh → 104 Rh → 104 Pd + β
Wie zu sehen ist, bewirkt ein von Rhodium-103 eingefangenes Neutron, dass ein Rhodium-103-Atom zu einem radioaktiven Rhodium-104- Atom wird. Das Rhodium-104 zerfällt dann in Palladium-104 plus ein Beta-Teilchen ( Elektron ). Das Beta-Teilchen hat genug Energie, um durch den Isolator zu gelangen und den Kollektor zu erreichen. Die Halbwertszeit von aktiviertem Rhodium-104 beträgt 42,3 Sekunden, was die Emission des geladenen Teilchens verzögert. Ein Detektor auf Rhodiumbasis verwendet diese Produktion von Beta-Partikeln (Elektronen), um einen Strom zu erzeugen, der proportional zur Anzahl der vom Emitter eingefangenen Neutronen ist, der auch proportional zur lokalen Reaktorleistungsdichte ist. Ein Teil des Stromflusses des Detektors ist auf Gammastrahlen zurückzuführen. Um dieses fehlerhafte Signal zu kompensieren, wird eine Hintergrundkorrektur über einen Hintergrunddetektor durchgeführt, der aus den gleichen Komponenten wie der Detektor besteht, außer dass das Rhodium entfernt wird.
Rhodium-103 hat einen Einfangquerschnitt von 133 Scheunen für thermische Neutronen und eine Resonanz bei 1,25 eV. Diese Reaktion führt zur Produktion von 104 Rh mit T 1/2 = 42 s, was beta-radioaktiv ist. Es ist zu beachten, dass etwa 11 Ställe zur Reaktion gehören, in der ein Isomer von 104 m Rh erzeugt wird (mit T 1/2 = 4,4 min).
Die folgenden Eigenschaften sind typisch für die Verwendung in einem thermischen Leistungsreaktor (z. B. PWR).
- Die Rhodium-Abbrandrate beträgt 0,39% pro Monat bei einem thermischen Neutronenfluss von 10 13 n / cm 2 / s.
- 92% des Signals haben eine Halbwertszeit von 42 Sekunden.
- 8% des Signals haben eine Halbwertszeit von 4,4 Minuten.
- Die Beta-Emission hat eine Energie von 2,44 MeV.
Vanadiumemitter – SPND auf Vanadiumbasis
Ein SPND mit einem Vanadiumemitter hat eine relativ geringe Empfindlichkeit, eine geringe Abbrandrate bei minimaler Störung der lokalen Leistungsdichte und ein sehr lang verzögertes Signal. Ein Detektor auf Vanadiumbasis ist ein Beta-Strom-Detektor mit eigener Stromversorgung, der die folgende Aktivierungsreaktion verwendet, um einen messbaren Strom zu erzeugen.
1 n + 51 V → 52 V → 52 Cr + β
Vanadium-51 hat einen Einfangquerschnitt von 4,9 Scheunen für thermische Neutronen ohne Resonanzen. Diese Reaktion führt zur Erzeugung von 52 V mit T 1/2 = 3,74 min, was beta-radioaktiv ist .
Die folgenden Eigenschaften sind typisch für die Verwendung in einem thermischen Leistungsreaktor (z. B. PWR).
- Die Vanadium-Abbrandrate beträgt 0,012% pro Monat bei einem thermischen Neutronenfluss von 10 13 n / cm 2 / s.
- 99% des Signals haben eine Halbwertszeit von 3,8 Minuten.
- 1% des Signals ist prompt.
- Die nachfolgende Beta-Emission hat eine Energie von 2,6 MeV.
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