Les détecteurs de neutrons auto-alimentés ( SPND ) sont des détecteurs de neutrons, qui sont largement utilisés dans les réacteurs pour surveiller le flux de neutrons en raison de son adaptabilité à l’environnement sévère dans le cœur. Les SPND peuvent faire partie du système de surveillance du flux neutronique incore, qui fournit des informations détaillées sur la distribution du flux neutronique et donc les marges de ces limites de puissance de crête. Ces détecteurs utilisent le processus de désintégration radioactif de base de son matériau d’activation neutronique pour produire un signal de sortie. Comme son nom l’indique, les SPND ne nécessitent pas de source de tension externe pour créer un potentiel de tension dans le détecteur. Au lieu de cela, un courant est produit dans le détecteur à la suite de l’ activation des neutronset désintégration bêta subséquente du détecteur lui-même. Du fait de l’émission de ces particules bêta (électrons), le fil se charge de plus en plus positivement. Le potentiel positif du fil fait circuler un courant dans la résistance R. Le courant d’électrons issu de la désintégration bêta peut être mesuré directement avec un ampèremètre.
Le détecteur de neutrons auto-alimenté présente deux avantages principaux:
- Très peu d’instruments sont requis, généralement seulement un millivoltmètre ou un ampèremètre
- Le matériau de l’émetteur a une durée de vie beaucoup plus longue que le revêtement au bore ou à l’uranium 235 utilisé dans les chambres à fission.
D’un autre côté, il existe également des inconvénients, l’un étant lié au fait que les courants, même à pleine puissance, sont très faibles. Par conséquent, les SPND ne sont pas en mesure de fournir des informations sur la distribution du flux en fonctionnement à faible puissance (10% et moins). Le principal inconvénient du détecteur de neutrons auto-alimenté est que le matériau de l’émetteur se désintègre avec une demi-vie caractéristique, qui détermine le temps de réponse du détecteur. Selon le temps de réponse, ces détecteurs sont généralement classés comme:
- Détecteurs à réponse rapide . Les détecteurs à réponse rapide comme le Cobalt et l’Inconel sont utilisés dans les applications de protection et de régulation des réacteurs.
- Détecteurs à réponse retardée . Les détecteurs à réponse retardée comme le vanadium et le rhodium sont largement utilisés pour le système de cartographie des flux (FMS).
Le SPND typique est un câble coaxial composé de:
- Emetteur . Une électrode interne, qui est faite d’un matériau qui absorbe un neutron et subit une désintégration radioactive en émettant un électron (désintégration bêta). L’émetteur est généralement en rhodium et est utilisé pour produire des électrons.
- Isolation. L’émetteur est entouré d’isolant, généralement composé d’oxyde d’aluminium.
- Collectionneur . Les parois métalliques du détecteur enveloppent ces pièces et servent de collecteur pour le. les électrons qui sont produits.- Le collecteur est attaché au potentiel de terre,
Les détecteurs de neutrons auto-alimentés sont généralement placés dans le tube d’instrumentation d’un assemblage combustible, ils peuvent surveiller toute la longueur des assemblages combustibles sélectionnés pour fournir une carte tridimensionnelle extrêmement précise de la distribution du flux neutronique . À l’aide de ces données, la reconstruction du flux neutronique peut également être effectuée dans le reste du cœur du réacteur.
Les matériaux typiques utilisés pour l’émetteur sont le cobalt, le cadmium, le rhodium et le vanadium. Ces matériaux doivent être utilisés car ils possèdent des températures de fusion relativement élevées, des sections efficaces relativement élevées aux neutrons thermiques et sont compatibles avec le processus de fabrication du SPND.
Référence spéciale: William H. Todt, Sr. CARACTÉRISTIQUES DES DÉTECTEURS DE NEUTRONS AUTONOMES UTILISÉS DANS LES RÉACTEURS DE PUISSANCE. Imaging and Sensing Technology Corporation. New York.
Émetteur de rhodium – SPND à base de rhodium
L’un des matériaux possibles est le rhodium comme émetteur. Un SPND avec un émetteur de rhodium a une sensibilité relativement élevée , un taux de combustion élevé , perturbe la densité de puissance locale et a un signal retardé ( double ) . Le détecteur à base de rhodium est le type de détecteur auto-alimenté à courant bêta, qui utilise la réaction d’activation suivante pour produire un courant qui peut être mesuré.
1 n + 103 Rh → 104 Rh → 104 Pd + β
Comme on peut le voir, un neutron capturé par le rhodium-103 fait qu’un atome de rhodium-103 devient un atome de rhodium-104 radioactif . Le rhodium-104 se désintègre ensuite en palladium-104 plus une particule bêta ( électron ). La particule bêta a suffisamment d’énergie pour traverser l’isolateur et atteindre le collecteur. La demi-vie du rhodium-104 activé est de 42,3 secondes, ce qui retarde l’émission de la particule chargée. Le détecteur à base de rhodium utilise cette production de particules bêta (électrons) pour créer un courant proportionnel au nombre de neutrons capturés par l’émetteur, qui est également proportionnel à la densité de puissance locale du réacteur. Une partie du flux de courant du détecteur est due aux rayons gamma. Afin de compenser ce signal erroné, une correction de fond est effectuée via un détecteur de fond, qui se compose des mêmes composants que le détecteur, sauf que le rhodium est retiré.
Le rhodium-103 a une section efficace de capture de 133 granges pour les neutrons thermiques et une résonance à 1,25 eV. Cette réaction conduit à la production de 104 Rh avec T 1/2 = 42 sec qui est radioactif bêta. Il faut noter qu’environ 11 granges appartiennent à la réaction dans laquelle un isomère 104m Rh est produit (avec T 1/2 = 4,4 min).
Les caractéristiques suivantes sont typiques lorsqu’elles sont utilisées dans un réacteur de puissance thermique (par exemple PWR).
- Le taux de combustion du rhodium est de 0,39% par mois dans un flux de neutrons thermiques de 10 13 n / cm 2 / sec.
- 92% du signal a une demi-vie de 42 secondes.
- 8% du signal a une demi-vie de 4,4 minutes.
- L’émission bêta a une énergie de 2,44 MeV.
Emetteur de vanadium – SPND à base de vanadium
Un SPND avec un émetteur de vanadium a une sensibilité relativement faible, un faible taux de combustion, avec une perturbation minimale de la densité de puissance locale et a un signal retardé très long. Le détecteur à base de vanadium est le type de détecteur auto-alimenté à courant bêta, qui utilise la réaction d’activation suivante pour produire un courant qui peut être mesuré.
1 n + 51 V → 52 V → 52 Cr + β
Le vanadium-51 a une section efficace de capture de 4,9 barns pour les neutrons thermiques sans résonances. Cette réaction conduit à la production de 52 V avec T 1/2 = 3,74 min qui est radioactif bêta .
Les caractéristiques suivantes sont typiques lorsqu’elles sont utilisées dans un réacteur de puissance thermique (par exemple PWR).
- Le taux de combustion du vanadium est de 0,012% par mois dans un flux de neutrons thermiques de 10 13 n / cm 2 / sec.
- 99% du signal a une demi-vie de 3,8 minutes.
- 1% du signal est rapide.
- L’émission bêta subséquente a une énergie de 2,6 MeV.
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