Qu’est-ce que la détection des neutrons thermiques – Définition

Les neutrons thermiques sont des neutrons en équilibre thermique avec un milieu environnant de température 290K (17 ° C ou 62 ° F). L’énergie la plus probable à 17 ° C (62 ° F) pour la distribution maxwellienne est de 0,025 eV (~ 2 km / s). Cette partie du spectre d’énergie des neutrons constitue la partie la plus importante du spectre dans les réacteurs thermiques .

Les neutrons thermiques ont une section efficace d’absorption des neutrons différente et souvent beaucoup plus grande ( fission ou capture radiative ) pour un nucléide donné que les neutrons rapides.

En général, il existe de nombreux principes de détection et de nombreux types de détecteurs. Dans les réacteurs nucléaires, les détecteurs à ionisation gazeuse sont les plus courants, car ils sont très efficaces, fiables et couvrent une large gamme de flux neutroniques. Différents types de détecteurs à ionisation gazeuse constituent ce que l’on appelle le  système d’instrumentation nucléaire d’Excore (NIS) . Le système d’instrumentation nucléaire d’Excore surveille le niveau de puissance du réacteur en  détectant les fuites  de neutrons du cœur du réacteur.

Détection de neutrons à l’aide d’une chambre d’ionisation

Les chambres d’ionisation sont souvent utilisées comme dispositif de détection de particules chargées. Par exemple, si la surface intérieure de la chambre d’ionisation est recouverte d’une fine couche de bore, la réaction (n, alpha) peut avoir lieu. La plupart des réactions (n, alpha) des neutrons thermiques sont des réactions  10B (n, alpha) 7Li  accompagnées de 0,48 MeV 

De plus, l’isotope bore-10 a une section efficace de réaction (n, alpha) élevée sur tout  le spectre d’énergie neutronique . La particule alpha provoque l’ionisation à l’intérieur de la chambre et les électrons éjectés provoquent d’autres ionisations secondaires.

Une autre méthode pour détecter les neutrons à l’aide d’une chambre d’ionisation consiste à utiliser le trifluorure de bore gazeux   (BF ₃ ) au lieu de l’air dans la chambre. Les neutrons entrants produisent des particules alpha lorsqu’ils réagissent avec les atomes de bore dans le gaz détecteur. L’une ou l’autre méthode peut être utilisée pour détecter des neutrons dans un réacteur nucléaire. Il convient de noter que les  compteurs BF ₃ sont généralement utilisés dans la région proportionnelle.

Chambre de fission – Détecteurs à large plage

Les chambres à fission  sont des détecteurs à ionisation utilisés pour détecter les neutrons. Les chambres de fission peuvent être utilisées comme détecteurs de gamme intermédiaire pour surveiller le flux de neutrons (puissance du réacteur) au niveau du flux intermédiaire. Ils fournissent également des indications, des alarmes et des signaux de déclenchement du réacteur. La conception de cet instrument est choisie pour assurer un chevauchement entre les canaux de la plage source et la pleine plage des instruments de la plage de puissance.

Dans le cas des  chambres à fission , la chambre est recouverte d’une fine couche d’ uranium 235 hautement enrichi   pour détecter les neutrons. Les neutrons ne sont  pas directement ionisants  et doivent généralement être  convertis  en particules chargées avant de pouvoir être détectés. Un  neutron thermique  provoquera la fission d’ un atome d’uranium 235  , les deux  fragments de fission  produits ayant une  énergie cinétique élevée  et provoquant l’ionisation du gaz d’argon à l’intérieur du détecteur. Un avantage d’utiliser un revêtement d’uranium 235 plutôt que du bore 10 est que les fragments de fission ont une énergie beaucoup plus élevée que la particule alpha issue d’une réaction au bore. Par conséquent les chambres de fission  sont  très sensibles  au flux de neutrons, ce qui permet aux chambres de fission de fonctionner dans  des champs gamma supérieurs  à une chambre à ions non compensée avec revêtement en bore.

Feuilles d’activation et fils de flux

Les neutrons peuvent être détectés à l’aide de feuilles d’activation et de fils de flux . Cette méthode est basée sur l’activation des neutrons, où un échantillon analysé est d’ abord irradié avec des neutrons pour produire des radionucléides spécifiques . La désintégration radioactive de ces radionucléides produits est spécifique à chaque élément (nucléide). Chaque nucléide émet les rayons gamma caractéristiques qui sont mesurés par spectroscopie gamma , où les rayons gamma détectés à une énergie particulière sont indicatifs d’un radionucléide spécifique et déterminent les concentrations des éléments.

Les matériaux sélectionnés pour les films d’activation sont par exemple:

• indium,
• or,
• rhodium,
• le fer
• aluminium  
• niobium

Ces éléments ont de grandes sections efficaces pour la capture radiative des neutrons . L’utilisation d’échantillons absorbeurs multiples permet de caractériser le spectre d’énergie neutronique. L’activation permet également de recréer une exposition historique aux neutrons. Les dosimètres d’accident de criticité disponibles dans le commerce utilisent souvent cette méthode. En mesurant la radioactivité des feuilles minces, nous pouvons déterminer la quantité de neutrons auxquels les feuilles ont été exposées.

Les fils de flux peuvent être utilisés dans les réacteurs nucléaires pour mesurer les profils de flux de neutrons des réacteurs. Les principes sont les mêmes. Le fil ou la feuille est inséré directement dans le cœur du réacteur , reste dans le cœur pendant la durée requise pour l’activation au niveau souhaité. Après l’activation, le fil ou la feuille de flux est rapidement retiré du cœur du réacteur et l’activité est comptée. Les feuilles activées peuvent également discriminer les niveaux d’énergie en plaçant un couvercle sur la feuille pour filtrer (absorber) certains neutrons de niveau d’énergie. Par exemple, le cadmium est largement utilisé pour absorber les neutrons thermiques dans les filtres à neutrons thermiques.