Qu’est-ce que le compteur proportionnel de trifluorure de bore – BF3 – Définition

Un  compteur proportionnel , également appelé  détecteur proportionnel , est un appareil électrique qui détecte différents types de rayonnements ionisants. La tension du détecteur est ajustée pour que les conditions correspondent à la  région proportionnelle . Dans cette région, la tension est suffisamment élevée pour fournir aux électrons primaires une accélération et une énergie suffisantes pour qu’ils puissent ioniser des atomes supplémentaires du milieu. Ces ions secondaires ( amplification de gaz ) formés sont également accélérés, provoquant un effet connu sous le nom d’  avalanches de Townsend , qui crée une seule impulsion électrique importante. Les compteurs proportionnels gazeux fonctionnent généralement dans des champs électriques élevés de l’ordre de 10 kV / cm et atteignent facteurs d’amplification d’environ 10 ⁵ . Comme le facteur d’amplification dépend fortement de la tension appliquée, la charge collectée (signal de sortie) dépend également de la tension appliquée et les compteurs proportionnels nécessitent une tension constante.

Il s’agit d’une différence subtile mais importante entre les  chambres d’ionisation  et les  compteurs proportionnels . Une chambre d’ionisation produira un courant proportionnel au nombre d’électrons collectés chaque seconde. Ce courant est moyenné et est utilisé pour piloter une lecture d’affichage en Bq, ou μSv / h. Les compteurs proportionnels  ne fonctionnent pas de cette façon. Au lieu de cela, ils amplifient chacune des salves d’ionisation individuelles afin que chaque événement ionisant soit détecté séparément. Ils mesurent donc le nombre d’événements ionisants (c’est pourquoi ils sont appelés compteurs). En instrumentation nucléaire, les compteurs proportionnels de trifluorure de bore (BF3) sont largement utilisés comme détecteurs de plage de sources .

 Compteur proportionnel BF ₃

Les neutrons étant  des particules électriquement neutres,  ils sont principalement soumis à de  fortes forces nucléaires  mais pas à des forces électriques. Par conséquent, les neutrons ne sont  pas directement ionisants  et ils doivent généralement être  convertis  en particules chargées avant de pouvoir être détectés. Généralement, chaque type de détecteur de neutrons doit être équipé d’un convertisseur (pour convertir le rayonnement neutronique en rayonnement détectable commun) et de l’un des détecteurs de rayonnement conventionnels (détecteur à scintillation, détecteur gazeux, détecteur semi-conducteur, etc.).

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 d’ une émission gamma 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 de détection des neutrons à l’aide d’un compteur proportionnel consiste à utiliser le trifluorure de bore gazeux   (BF ₃ ) à la place 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.

Détecteurs de plage source

Les détecteurs de la plage source surveillent le flux de neutrons (puissance du réacteur) aux niveaux d’arrêt les plus bas et fournissent des indications, des alarmes et des arrêts de réacteur. L’instrumentation de la plage source se compose généralement de deux ou quatre canaux de la plage source, chacun avec son propre détecteur séparé, son chemin de câble et ses circuits électroniques. Les détecteurs utilisés sont généralement des compteurs proportionnels de trifluorure de bore à haute sensibilité (BF ₃ ) . En général, les compteurs proportionnels sont capables d’ identifier les particules et de mesurer l’énergie (spectroscopie). La hauteur d’impulsion reflète l’énergie déposée par le rayonnement incident dans le gaz détecteur. En tant que tel, il est possible de distinguer les impulsions plus importantes produites par les particules alpha(produites par des réactions (n, alpha)) à partir des impulsions plus petites produites par les particules bêta ou les rayons gamma .

Ces détecteurs BF ₃ produisent une sortie de fréquence d’impulsion proportionnelle au flux de neutrons thermiques observé au niveau du détecteur. Ces canaux sont généralement utilisés sur une plage de comptage de 0,1 à 10 ⁶ comptes par seconde , mais varient en fonction de la conception du réacteur. Ces détecteurs d’excore sont généralement situés dans des puits d’instruments dans le bouclier primaire (bouclier en béton) adjacent à la cuve du réacteur.

L’instrumentation de la plage de sources surveille et indique le niveau de flux neutronique du cœur du réacteur et la vitesse à laquelle le flux neutronique change pendant l’ arrêt du réacteur et la phase initiale de démarrage . Ils sont très importants pour la surveillance de la sous-criticité lors du rechargement du carburant, lorsque la multiplication sous – critique a lieu. Le flux neutronique est indiqué en coups par seconde (cps). Le taux de changement de la population de neutrons est indiqué comme taux de démarrage (SUR), qui est défini comme le nombre de facteurs de dix qui modifient la puissance en une minute. Par conséquent, les unités de SUR sont des puissances de dix par minute, ou déca des par minute ( dpm ).

Il existe deux principaux problèmes dans l’instrumentation de la plage source:

• Discrimination . Lors de l’arrêt du réacteur et de la phase initiale de démarrage, il est nécessaire de distinguer le nombre relativement faible d’impulsions produites par les neutrons du grand nombre d’impulsions produites par le rayonnement gamma . Ainsi, la discrimination gamma est particulièrement intéressante lors de l’arrêt après que le cœur du réacteur a atteint un niveau significatif de combustion du combustible. Cette condition produit un champ gamma élevé et un faible flux neutronique autour du détecteur. Les compteurs proportionnels permettent la discrimination mais ils doivent être calibrés. Le discriminateur exclut le passage d’impulsions inférieures à un niveau prédéterminé. La fonction du discriminateur est d’exclure le bruit et les impulsions gamma dont l’amplitude est inférieure à celle des impulsions neutroniques (impulsions alpha respectivement). De nombreuses centrales électriques ont jugé nécessaire de placer des compteurs proportionnels de plage de source dans un blindage en plomb pour réduire le rayonnement gamma au niveau des détecteurs. Cela augmente la sensibilité à l’extrémité inférieure du détecteur et peut prolonger la durée de vie du détecteur.
• Temps mort . Cet instrument peut indiquer jusqu’à un taux de comptage de neutrons maximum de 10 ⁶ cps. Des taux de comptage plus élevés sont influencés par un phénomène appelé temps mort. Le temps mort est la période pendant laquelle le détecteur est occupé et ne peut pas accepter et traiter des impulsions. Ce phénomène peut avoir de graves conséquences, car le temps mort fausse les sorties à des activités ou des débits de dose élevés.

Certaines centrales électriques ont prévu de déplacer les détecteurs de la plage source de leurs positions de fonctionnement à une position de niveau de flux neutronique réduit, une fois que le niveau de flux augmente au-dessus de la plage source.

Référence spéciale: Plan d’examen standard pour l’examen des rapports d’analyse de sûreté pour les centrales nucléaires: édition LWR. NUREG-0800, US NRC.