Qué es la Instrumentación Nuclear Excore – Definición

Detectores de rango de fuente

Los detectores de rango de fuente monitorean el flujo de neutrones (potencia del reactor) en los niveles de apagado más bajos y proporcionan indicaciones, alarmas y disparos del reactor. La instrumentación de rango de fuente generalmente consta de dos o cuatro canales de rango de fuente, cada uno con su propio detector, cable y circuito electrónico. Los detectores utilizados suelen ser contadores proporcionales de trifluoruro de boro (BF ₃ ) de alta sensibilidad . En general, los contadores proporcionales son capaces de identificar partículas y medir la energía (espectroscopía). La altura del pulso refleja la energía depositada por la radiación incidente en el gas detector. Como tal, es posible distinguir los pulsos más grandes producidos por partículas alfa(producido por reacciones (n, alfa)) de los pulsos más pequeños producidos por partículas beta o rayos gamma .

Estos detectores BF ₃ producen una salida de frecuencia de pulso proporcional al flujo térmico de neutrones visto en el detector. Estos canales se usan típicamente en un rango de conteo de 0.1 a 10 ⁶ conteos por segundo , pero varían según el diseño del reactor. Estos detectores de núcleo generalmente están ubicados en pozos de instrumentos en el escudo primario (escudo de concreto) adyacente al recipiente del reactor.

La instrumentación del rango fuente supervisa e indica el nivel de flujo de neutrones del núcleo del reactor y la velocidad a la que cambia el flujo de neutrones durante el apagado del reactor y la fase inicial de arranque . Son muy importantes para monitorear la subcriticidad durante la recarga de combustible, cuando tiene lugar la multiplicación subcrítica . El flujo de neutrones se indica en cuentas por segundo (cps). La tasa de cambio de la población de neutrones se indica como tasa de inicio (SUR), que se define como el número de factores de diez que la potencia cambia en un minuto. Por lo tanto, las unidades de SUR son potencias de diez por minuto, o deca des por minuto ( dpm ).

Hay dos problemas principales en la instrumentación del rango de origen:

• Discriminación . Durante la parada del reactor y la fase inicial de arranque, se requiere distinguir el número relativamente pequeño de pulsos producidos por los neutrones del gran número de pulsos producidos por la radiación gamma . Por lo tanto, la discriminación gamma es de particular interés durante el apagado después de que el núcleo del reactor alcanza un nivel significativo de quema de combustible. Esta condición produce un campo gamma alto y un flujo de neutrones bajo alrededor del detector. Los contadores proporcionales permiten la discriminación, pero deben calibrarse. El discriminador excluye el paso de pulsos que son inferiores a un nivel predeterminado. La función del discriminador es excluir el ruido y los pulsos gamma que son de menor magnitud que los pulsos de neutrones (pulsos alfa respectivamente). Muchas centrales eléctricas han encontrado necesario colocar contadores proporcionales de rango de fuente en el blindaje de plomo para reducir la radiación gamma en los detectores. Esto aumenta la sensibilidad del detector del extremo inferior y puede extender la vida útil del detector.
• Tiempo Muerto . Este instrumento puede indicar una tasa de recuento de neutrones máxima de 10 ⁶ cps. Las tasas de conteo más altas están influenciadas por un fenómeno conocido como tiempo muerto. El tiempo muerto es el período durante el cual el detector está ocupado y no puede aceptar ni procesar pulsos. Este fenómeno puede tener serias consecuencias, ya que el tiempo muerto distorsiona los resultados en actividades altas o altas tasas de dosis.

Hay algunas centrales eléctricas que han tomado medidas para mover los detectores del rango de fuente desde sus posiciones operativas a una posición de nivel de flujo de neutrones reducido, una vez que el nivel de flujo aumenta por encima del rango de fuente.

Referencia especial: Plan de revisión estándar para la revisión de informes de análisis de seguridad para centrales nucleares: edición LWR. NUREG-0800, NRC de EE. UU.

Rango de fuente – Seguridad del reactor

Como se escribió, el sistema de instrumentación nuclear excore se considera un sistema relacionado con la seguridad, ya que proporciona entradas al sistema de protección del reactor . El disparo de flujo de neutrones en el rango de fuente proporciona la protección del núcleo para accidentes de reactividad en el MODO 2 (arranque del reactor). Por ejemplo, el disparo del flujo de neutrones en el rango de origen garantiza que se proporcione protección contra un accidente de extracción de varilla de banco RCCA no controlado por una condición subcrítica durante el arranque. También proporciona protección para accidentes de dilución de boro y eventos de expulsión de barras de control.

Durante el reabastecimiento de combustible, los detectores de rango de fuente también aseguran el monitoreo de la subcriticidad del reactor. También están equipados con una alarma, que puede servir como señal de evacuación de contención si el flujo de neutrones excede un valor preestablecido. Esta alarma alerta a los operadores y al personal de la sala de control en la contención de una adición de reactividad positiva al reactor durante las condiciones de apagado.

Detectores de rango intermedio

Los detectores de rango intermedio monitorean el flujo de neutrones (potencia del reactor) en el nivel de flujo intermedio. También proporcionan indicaciones, alarmas y señales de disparo del reactor . Su rango es desde la parte superior del rango de la fuente hasta el rango de potencia (cubre un lapso de ocho décadas). El diseño de este instrumento se elige para proporcionar una superposición entre los canales del rango de fuente y la amplitud parcial o total de los instrumentos del rango de potencia . La instrumentación de rango intermedio generalmente consta de dos o cuatro canales, cada uno con su propio detector separado, tendido de cables y circuitos electrónicos. Los detectores utilizados suelen estar   revestidos de boro ocámaras de ionización compensadas llenas de gas boro o cámaras de fisión . Su precisión generalmente no alcanza la precisión de la instrumentación del rango de potencia que opera en un rango mucho más estrecho.

La instrumentación del rango fuente supervisa e indica el nivel de flujo de neutrones del núcleo del reactor y la velocidad a la que cambia el flujo de neutrones durante toda la fase de arranque del reactor y operación de potencia. El flujo de neutrones se indica en porcentaje de la potencia nominal. La tasa de cambio de la población de neutrones se indica como tasa de inicio (SUR), que se define como el número de factores de diez que la potencia cambia en un minuto. Por lo tanto, las unidades de SUR son potencias de diez por minuto o décadas por minuto ( dpm ). La alta velocidad de inicio en cualquiera de los canales puede iniciar una acción protectora.

Rango intermedio – Seguridad del reactor

Como se escribió, el sistema de instrumentación nuclear excore se considera un sistema relacionado con la seguridad, ya que proporciona entradas al sistema de protección del reactor . El disparo de flujo de neutrones de rango intermedio proporciona la protección del núcleo contra un accidente de extracción de varilla de banco RCCA no controlado de una condición subcrítica durante el arranque. Esta función de disparo proporciona protección redundante al flujo de neutrones en el rango de potencia: punto de ajuste bajo. También proporciona protección redundante a la función de disparo del rango de fuente para accidentes de dilución de boro y eventos de expulsión de la barra de control.

Cámaras de ionización compensada

La cámara de ionización , también conocida como la cámara de iones , es un dispositivo eléctrico que detecta varios tipos de radiación ionizante . El voltaje del detector se ajusta de modo que las condiciones correspondan a la región de ionización . El voltaje no es lo suficientemente alto como para producir amplificación de gas (ionización secundaria). Las cámaras de ionización se prefieren para altas tasas de dosis de radiación porque no tienen «tiempo muerto», un fenómeno que afecta la precisión del tubo Geiger-Mueller a altas tasas de dosis.

La cámara de iones compensados se utiliza en el rango intermedio porque la salida de corriente es proporcional al flujo de neutrones relativamente estable, y compensa las señales del flujo gamma. La cámara de iones compensados ​​consta de dos detectores en un caso. La cámara exterior está recubierta por dentro con boro-10 , mientras que la cámara interior no está recubierta. La cámara recubierta es sensible tanto a los rayos gamma como a los neutrones, mientras que la cámara no recubierta es sensible solo a los rayos gamma. Al conectar las dos cámaras de manera adecuada, la salida eléctrica neta del detector será la corriente debido solo a los neutrones.

Para lograr la cantidad adecuada de compensación gamma, los voltajes entre estos dos conjuntos de electrodos deben estar equilibrados. Las consecuencias de operar con una cámara sobrecompensada o subcompensada son importantes. Si el voltaje en la cámara de compensación es demasiado alto, el detector está sobrecompensado y parte de la corriente de neutrones, así como toda la corriente gamma, se bloquea y la potencia indicada es inferior a la potencia real del núcleo. Si el voltaje de compensación es demasiado bajo, se producirá una compensación insuficiente . A alta potencia, el flujo gamma es relativamente pequeño en comparación con el flujo de neutrones, y los efectos de una compensación inadecuada pueden no notarse. Sin embargo, es extremadamente importante que la cámara se compense adecuadamente durante el arranque y apagado del reactor.

Ver también: Departamento de Energía, Instrumentación y Control de EE. UU. DOE Fundamentals Handbook, Volumen 2 de 2. Junio ​​de 1992.

Cámara de fisión – Detectores de amplio rango

Las cámaras de fisión son detectores de ionización utilizados para detectar neutrones. Las cámaras de fisión pueden usarse como detectores de rango intermedio para monitorear el flujo de neutrones (potencia del reactor) al nivel de flujo intermedio. También proporcionan indicaciones, alarmas y señales de disparo del reactor. El diseño de este instrumento se elige para proporcionar una superposición entre los canales de rango de fuente y el rango completo de los instrumentos de rango de potencia.

En general, la cámara de ionización , también conocida como cámara de iones , es un dispositivo eléctrico que detecta varios tipos de radiación ionizante . El voltaje del detector se ajusta de modo que las condiciones correspondan a la región de ionización . El voltaje no es lo suficientemente alto como para producir amplificación de gas (ionización secundaria). Las cámaras de ionización son preferidas para altas tasas de dosis de radiación porque no tienen «tiempo muerto», un fenómeno que afecta la precisión del tubo Geiger-Muellera altas dosis. Además, en la región de ionización, un aumento en el voltaje no causa un aumento sustancial en el número de pares de iones recogidos. El número de pares de iones recogidos por los electrodos es igual al número de pares de iones producidos por la radiación incidente, y depende del tipo y la energía de las partículas o rayos en la radiación incidente.

En el caso de las cámaras de fisión , la cámara está recubierta con una capa delgada de uranio 235 altamente enriquecido para detectar neutrones. Los neutrones no son directamente ionizantes y generalmente tienen que convertirse en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. A neutrones térmicos causará un átomo de uranio-235 a la fisión , con los dos fisión fragmentos fabricados que tengan una alta energía cinéticay provocando la ionización del gas argón dentro del detector. Una ventaja de usar el recubrimiento de uranio-235 en lugar de boro-10 es que los fragmentos de fisión tienen una energía mucho mayor que la partícula alfa de una reacción de boro. Además, los fragmentos de fisión resultantes de la interacción de neutrones con el recubrimiento causan una cantidad significativamente mayor de ionización dentro de la cámara de fisión que la radiación gamma incidente en el detector. Esto da como resultado que los pulsos de carga generados por neutrones sean significativamente más grandes que los pulsos gamma. Los circuitos de discriminación de tamaño de pulso se pueden usar para bloquear los pulsos gamma no deseados. Por lo tanto, las cámaras de fisión son muy sensibles al flujo de neutrones y esto permite que las cámaras de fisión operen en campos gamma más altos. que una cámara de iones no compensada con revestimiento de boro.

Las cámaras de fisión se usan a menudo como dispositivos indicadores de corriente y dispositivos de pulso dependiendo del nivel de flujo de neutrones. En el modo de pulso, las cámaras de fisión son especialmente útiles, debido a la gran diferencia de tamaño de pulso entre neutrones y rayos gamma. Cuando la potencia es alta en el rango intermedio o en el rango de potencia (es decir, en un flujo mixto de gamma y neutrones de alto nivel), las cámaras de fisión pueden funcionar en modo Campbelling (también conocido como «modo de fluctuación» o «modo de voltaje cuadrado medio») para proporcionar mediciones relacionadas con neutrones confiables y precisas. La técnica Campbelling elimina la contribución gamma. Debido al doble uso de la cámara de fisión, a menudo se usa en canales de «amplio rango» en sistemas de instrumentación nuclear.

Detectores de rango de potencia

Los detectores de rango de potencia son un sistema clave de instrumentación nuclear para la operación de potencia. Monitorean el flujo de neutrones (potencia del reactor) desde cero hasta aproximadamente el 120% de la potencia nominal completa junto con la indicación de la distribución axial y radial de esa potencia. También proporcionan indicaciones, alarmas y señales de disparo del reactor. A medida que el nivel de flujo de neutrones aumenta en el rango de potencia, la compensación gamma no es una preocupación importante porque los rayos gamma no contribuyen mucho a la ionización total (aproximadamente 0.1% al 100% de potencia). Por lo tanto, la instrumentación del rango de potencia generalmente consta de cuatro cámaras de ionización no compensadas , cada una con su propio detector, cable y circuito electrónico. La cámara de ionización , también conocida como la cámara de iones, es un dispositivo eléctrico que detecta varios tipos de radiación ionizante . El voltaje del detector se ajusta de modo que las condiciones correspondan a la región de ionización . El voltaje no es lo suficientemente alto como para producir amplificación de gas (ionización secundaria). Las cámaras de ionización son preferidas para altas tasas de dosis de radiación porque no tienen » tiempo muerto ««, Un fenómeno que afecta la precisión del tubo Geiger-Mueller a altas dosis. El detector consta de una única cámara cilíndrica cuya operación es idéntica a la de la cámara revestida de boro de la cámara de iones compensados. Esta cámara no compensada es sensible tanto a los rayos gamma como a los neutrones. Sin embargo, en el rango de potencia de operación, el nivel de flujo de neutrones es muchas veces mayor que el flujo gamma y, por lo tanto, no se requiere compensación gamma.

Los cuatro canales son física y funcionalmente idénticos. Cada canal de rango de potencia emplea un detector de cámara de iones no compensado superior e inferior (detector en tándem) que permite medir la diferencia de flujo axial . Cada canal también monitorea un «cuadrante» del núcleo. Un detector superior y un detector inferior están montados dentro del mismo instrumento. Las salidas de ambos detectores (superior e inferior) se combinan para producir una señal de potencia total del canal. Las ocho salidas del detector (cuatro detectores superiores y cuatro detectores inferiores) se comparan entre sí para proporcionar información de distribución de energía (AFD y QPTR ) al operador del reactor.

La diferencia de flujo axial se define como la diferencia en las señales de flujo normalizado (AFD) entre las mitades superior e inferior de un detector de neutrones excore de dos secciones, disminuirá.

AFD se define como:

AFD o ΔI = I _arriba – I _abajo

donde _arriba y _abajo se expresan como una fracción de la potencia térmica nominal.

QPTR se define como:

La relación de la salida calibrada máxima del detector excore superior al promedio de las salidas calibradas del detector excore superior, o la relación de la salida calibrada máxima del detector excore inferior al promedio de las salidas calibradas del detector excore inferior, lo que sea mayor.

La instrumentación del rango de potencia monitorea e indica el nivel de flujo de neutrones del núcleo del reactor y la velocidad a la que cambia el flujo de neutrones durante una operación de potencia y una operación de seguimiento de carga estándar. El flujo de neutrones se indica como porcentaje de la potencia nominal. La tasa de cambio de la población de neutrones se indica como tasa de inicio (SUR), que se define como el número de factores de diez que la potencia cambia en un minuto. Por lo tanto, las unidades de SUR son potencias de diez por minuto o décadas por minuto ( dpm ).

Aunque el sistema de instrumentación nuclear proporciona una respuesta rápida a los cambios en el flujo de neutrones y es un sistema insustituible, debe calibrarse . Los canales de rango de potencia se calibran para indicar el porcentaje de potencia térmica nominal mediante un balance de calor secundario (calorimétrico). La potencia térmica precisa del reactor solo se puede medir mediante métodos basados ​​en el balance de energía del circuito primario o el balance de energía del circuito secundario.

Referencia especial: Plan de revisión estándar para la revisión de informes de análisis de seguridad para centrales nucleares: edición LWR. NUREG-0800, NRC de EE. UU.

Flujo de neutrones y quema de combustible

En un reactor de potencia durante un período de tiempo relativamente corto (días o semanas), la densidad del número atómico de los átomos de combustible permanece relativamente constante. Por lo tanto, en este corto período, también el flujo de neutrones promedio permanece constante , cuando el reactor funciona a un nivel de potencia constante. Por otro lado, las densidades de número atómico de los isótopos fisionables durante un período de meses disminuyen debido al consumo de combustible y, por lo tanto, también disminuyen las secciones transversales macroscópicas . Este resultado es un aumento lento en el flujo de neutrones para mantener el nivel de potencia deseado. Por lo tanto, el sistema de instrumentación nuclear excore debe calibrarse periódicamente.

Rango de potencia: seguridad del reactor

Como se escribió, el sistema de instrumentación nuclear excore se considera un sistema relacionado con la seguridad, ya que proporciona entradas al sistema de protección del reactor . El disparo de flujo de neutrones del rango de potencia proporciona la protección del núcleo para muchos accidentes de excursión de potencia en el MODO 1 (operación de potencia). Los ejemplos de señales de acción protectora proporcionadas por el rango de potencia incluyen:

• El rango de potencia Flujo de neutrones (bajo – punto de ajuste). Se producirá un disparo en el reactor si el nivel de potencia excede el valor preestablecido (por ejemplo, 25%) en dos de los cuatro canales, y el disparo no se bloquea.
• El flujo de neutrones del rango de potencia (punto de ajuste alto). Se producirá un disparo en el reactor si el nivel de potencia excede el valor preestablecido (por ejemplo, 109%) en dos de los cuatro canales para proteger el núcleo de una condición de sobrepotencia y para protegerlo de una excursión de reactividad positiva que conduce a DNB durante las operaciones de potencia. Este viaje no puede ser bloqueado.
• Tarifa de viajes . Si la tasa de cambio de potencia del reactor excede un valor preestablecido en la dirección positiva o negativa, se producirá un disparo del reactor.
  • El disparo de frecuencia positiva alta asegura que se proporciona protección contra aumentos rápidos en el flujo de neutrones que son característicos de una ruptura de la carcasa de la varilla de transmisión RCCA y la expulsión del RCCA.
  • El viaje de alta tasa negativa asegura que se proporcione protección para múltiples accidentes de caída de varilla. A altos niveles de potencia, un accidente de caída de varillas múltiples podría causar un pico de flujo local que resultaría en un DNBR local no conservador.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.