O que é a Excore Instrumentação Nuclear – Definição

O fluxo de nêutrons é geralmente medido por detectores de nêutrons excore instalados fora do núcleo . Esses detectores pertencem ao chamado sistema de instrumentação nuclear excore (NIS) . O sistema de instrumentação nuclear excore monitora o nível de potência do reator, detectando vazamentos de nêutrons do núcleo do reator. O sistema de instrumentação nuclear excore geralmente consiste em três faixas sobrepostas separadas de instrumentação excore , que monitoram o nível de fluxo de nêutrons gerado no núcleo de algumas contagens por segundo até aproximadamente 10 ¹⁵ nêutrons / cm ²/ s (corresponde a aproximadamente 200% da potência nominal). Como o fluxo de nêutrons cobre uma ampla faixa (cerca de 12 décadas), três faixas de instrumentação são usadas para obter medições precisas do nível de fluxo:

• Detectores de faixa de fonte
• Detectores de faixa intermediária
• Detectores de faixa de potência

Esses detectores de excore geralmente estão localizados nos poços dos instrumentos na blindagem primária (blindagem de concreto) adjacente ao vaso do reator . O sistema fornece sinais de indicação, controle e alarme para operação e proteção do reator. Portanto, o sistema de instrumentação nuclear excore é considerado um sistema relacionado à segurança , porque fornece entradas para o sistema de proteção do reator durante a inicialização e operação de energia. Este sistema é da maior importância para o sistema de proteção do reator, porque as mudanças no fluxo de nêutrons podem ser quase prontamente reconhecidas apenas por esse sistema.

A função principal do sistema de instrumentação nuclear excore é proteger o núcleo do reator contra sobrecarga, monitorando o fluxo de nêutrons e gerando alarmes apropriados e disparos do reator para desligar o reator quando necessário. Cada faixa de instrumentação (fonte, intermediário e potência) fornece a proteção necessária de disparo do reator de sobrecarga (disparo do reator de alto fluxo de nêutrons) necessária durante a operação nesse intervalo.

Veja também: Detecção de nêutrons

Detectores de faixa de fonte

Os detectores de faixa de fonte monitoram o fluxo de nêutrons (potência do reator) nos níveis mais baixos de desligamento e fornecem indicação, alarmes e disparos do reator. A instrumentação de faixa de fonte geralmente consiste em dois ou quatro canais de faixa de fonte, cada um com seu próprio detector separado, passagem de cabo e circuito eletrônico. Os detectores utilizados são geralmente contadores proporcionais de boro-trifluoreto de alta sensibilidade (BF ₃ ) . Em geral, os contadores proporcionais são capazes de identificar partículas e medir energia (espectroscopia). A altura do pulso reflete a energia depositada pela radiação incidente no gás do detector. Como tal, é possível distinguir os pulsos maiores produzidos pelas partículas alfa(produzido por (n, alfa) reações) dos pulsos menores produzidos por partículas beta ou raios gama .

Esses detectores BF ₃ produzem uma saída de taxa de pulso proporcional ao fluxo de nêutrons térmicos visto no detector. Esses canais são normalmente usados ​​em uma faixa de contagem de 0,1 a 10 ⁶ contagens por segundo , mas variam com base no projeto do reator. Esses detectores de excore geralmente estão localizados nos poços dos instrumentos na blindagem primária (blindagem de concreto) adjacente ao vaso do reator.

A instrumentação da faixa de fonte monitora e indica o nível do fluxo de nêutrons do núcleo do reator e a taxa pela qual o fluxo de nêutrons muda durante o desligamento do reator e a fase inicial da inicialização . Eles são muito importantes para o monitoramento da subcriticidade durante a recarga de combustível, quando ocorre a multiplicação subcrítica . O fluxo de nêutrons é indicado em contagens por segundo (cps). A taxa de variação da população de nêutrons é indicada como taxa de inicialização (SUR), que é definida como o número de fatores de dez que a energia muda em um minuto. Portanto, as unidades de SUR são potências de dez por minuto, ou deca des per minute ( dpm ).

Existem dois problemas principais na instrumentação do intervalo de fontes:

• Discriminação . Durante o desligamento do reator e a fase inicial de inicialização, é necessário distinguir o número relativamente pequeno de pulsos produzidos pelos nêutrons do grande número de pulsos produzidos pela radiação gama . Assim, a discriminação gama é de particular interesse durante o desligamento após o núcleo do reator atingir um nível significativo de queima de combustível. Essa condição produz um campo gama alto e um baixo fluxo de nêutrons ao redor do detector. Os contadores proporcionais permitem discriminação, mas devem ser calibrados. O discriminador exclui a passagem de pulsos inferiores a um nível predeterminado. A função do discriminador é excluir pulsos de ruído e gama que são menores em magnitude do que os pulsos de nêutrons (pulsos alfa, respectivamente). Muitas usinas de energia consideraram necessário colocar contadores proporcionais de faixa de fonte na blindagem de chumbo para reduzir a radiação gama nos detectores. Isso aumenta a sensibilidade final baixa do detector e pode prolongar a vida útil do detector.
• Tempo morto . Este instrumento pode indicar uma taxa máxima de contagem de nêutrons de 10 ⁶ cps. Taxas de contagem mais altas são influenciadas pelo fenômeno conhecido como tempo morto. O tempo morto é o período durante o qual o detector está ocupado e não pode aceitar e processar pulsos. Esse fenômeno pode ter sérias conseqüências, uma vez que o tempo morto distorce os resultados com atividades altas ou altas taxas de dose.

Existem algumas usinas que fizeram provisões para mover os detectores da faixa de fonte de suas posições operacionais para uma posição de nível reduzido de fluxo de nêutrons, uma vez que o nível de fluxo aumenta acima da faixa de fonte.

Referência especial: Plano de revisão padrão para a revisão de relatórios de análise de segurança para usinas nucleares: LWR Edition. NUREG-0800, NRC dos EUA.

Faixa de fontes – Segurança do reator

Como foi escrito, o sistema de instrumentação nuclear excore é considerado um sistema relacionado à segurança, porque fornece entradas para o sistema de proteção do reator . O disparo do fluxo de nêutrons na faixa da fonte fornece a proteção do núcleo para acidentes de reatividade no MODE 2 (partida do reator). Por exemplo, o disparo do fluxo de nêutrons da faixa de fontes garante que a proteção seja fornecida contra um acidente não controlado de retirada de barras de banco RCCA de uma condição subcrítica durante a inicialização. Também fornece proteção para acidentes de diluição de boro e eventos de ejeção da haste de controle.

Durante o reabastecimento, os detectores de faixa de fonte também garantem o monitoramento da subcriticidade do reator. Eles também são equipados com um alarme, que pode servir como um sinal de evacuação de contenção se o fluxo de nêutrons exceder um valor predefinido. Este alarme alerta os operadores e o pessoal da sala de controle para conter uma adição de reatividade positiva ao reator durante as condições de desligamento.

Detectores de faixa intermediária

Os detectores de faixa intermediária monitoram o fluxo de nêutrons (potência do reator) no nível do fluxo intermediário. Eles também fornecem indicação, alarmes e sinais de disparo do reator . Seu alcance é da parte superior da fonte até a faixa de potência (abrange um período de oito décadas). O design deste instrumento é escolhido para fornecer sobreposição entre os canais da faixa da fonte e a amplitude parcial ou total dos instrumentos da faixa de potência . A instrumentação de faixa intermediária geralmente consiste em dois ou quatro canais, cada um com seu próprio detector separado, passagem de cabo e circuito eletrônico. Os detectores utilizados são geralmente   revestidos com boro oucâmaras de ionização compensada com gás boro ou câmaras de fissão . Sua precisão geralmente não atinge a precisão da instrumentação da faixa de potência operando em uma faixa muito mais estreita.

A instrumentação da faixa de fonte monitora e indica o nível do fluxo de nêutrons do núcleo do reator e a taxa pela qual o fluxo de nêutrons muda durante toda a fase de inicialização do reator e operação de energia. O fluxo de nêutrons é indicado em porcentagem da potência nominal. A taxa de variação da população de nêutrons é indicada como taxa de inicialização (SUR), que é definida como o número de fatores de dez que a energia muda em um minuto. Portanto, as unidades do SUR são potências de dez por minuto, ou décadas por minuto ( dpm ). A alta taxa de inicialização em qualquer canal pode iniciar uma ação de proteção.

Faixa Intermediária – Segurança do Reator

Como foi escrito, o sistema de instrumentação nuclear excore é considerado um sistema relacionado à segurança, porque fornece entradas para o sistema de proteção do reator . O disparo do fluxo de nêutrons de faixa intermediária fornece a proteção principal contra um acidente de retirada de barra de banco RCCA descontrolado de uma condição subcrítica durante a inicialização. Esta função de disparo fornece proteção redundante ao fluxo de nêutrons da faixa de potência – baixo ponto de ajuste. Ele também fornece proteção redundante à função de disparo da faixa de fonte para eventos de acidente com diluição de boro e ejeção da haste de controle.

Câmaras de ionização compensadas

A câmara de ionização , também conhecida como câmara de íons , é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante . A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região de ionização . A tensão não é alta o suficiente para produzir amplificação de gás (ionização secundária). As câmaras de ionização são preferidas para altas taxas de dose de radiação, porque não têm “tempo morto”, um fenômeno que afeta a precisão do tubo Geiger-Mueller em altas taxas de dose.

A câmara de íons compensados é utilizada na faixa intermediária porque a saída de corrente é proporcional ao fluxo de nêutrons relativamente estável e compensa os sinais do fluxo gama. A câmara de íons compensados ​​consiste em dois detectores em um caso. A câmara externa é revestida por dentro com boro-10 , enquanto a câmara interna não é revestida. A câmara revestida é sensível aos raios gama e nêutrons, enquanto a câmara não revestida é sensível apenas aos raios gama. Ao conectar as duas câmaras de maneira adequada, a saída elétrica líquida do detector será a corrente devido apenas aos nêutrons.

Para atingir a quantidade adequada de compensação gama, as tensões entre esses dois conjuntos de eletrodos devem ser balanceadas. As consequências de operar com uma câmara supercompensada ou subcompensada são importantes. Se a voltagem na câmara de compensação for muito alta, o detector será supercompensado e alguma corrente de nêutrons, assim como toda a corrente gama, será bloqueada e a potência indicada será menor que a potência do núcleo real. Se a tensão de compensação estiver muito baixa, ocorrerá uma subcompensação . Em alta potência, o fluxo gama é relativamente pequeno comparado ao fluxo de nêutrons, e os efeitos da compensação inadequada podem não ser percebidos. É extremamente importante, no entanto, que a câmara seja adequadamente compensada durante a inicialização e desligamento do reator.

Veja também: Departamento de Energia, Instrumentação e Controle dos EUA. DOE Fundamentals Handbook, Volume 2, de 2 de junho de 1992.

Câmara de fissão – detectores de ampla faixa

As câmaras de fissão são detectores de ionização usados ​​para detectar nêutrons. As câmaras de fissão podem ser usadas como detectores de faixa intermediária para monitorar o fluxo de nêutrons (potência do reator) no nível do fluxo intermediário. Eles também fornecem indicação, alarmes e sinais de disparo do reator. O design deste instrumento é escolhido para fornecer sobreposição entre os canais da faixa da fonte e a amplitude total dos instrumentos da faixa de potência.

Em geral, a câmara de ionização , também conhecida como câmara de íons , é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante . A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região de ionização . A tensão não é alta o suficiente para produzir amplificação de gás (ionização secundária). As câmaras de ionização são preferidas para altas taxas de dose de radiação porque elas não têm “tempo morto”, um fenômeno que afeta a precisão do tubo Geiger-Muellerem altas doses. Além disso, na região de ionização, um aumento na tensão não causa um aumento substancial no número de pares de íons coletados. O número de pares de íons coletados pelos eletrodos é igual ao número de pares de íons produzidos pela radiação incidente e depende do tipo e energia das partículas ou raios na radiação incidente.

No caso de câmaras de fissão , a câmara é revestida com uma fina camada de urânio 235 altamente enriquecido para detectar nêutrons. Os nêutrons não ionizam diretamente e geralmente precisam ser convertidos em partículas carregadas antes de serem detectadas. Um nêutron térmico causará a fissão de um átomo de urânio-235 , com os dois fragmentos de fissão produzidos com uma alta energia cinéticae causando ionização do gás argônio dentro do detector. Uma vantagem do uso de revestimento de urânio-235 em vez do boro-10 é que os fragmentos de fissão têm uma energia muito maior do que a partícula alfa de uma reação de boro. Além disso, os fragmentos de fissão resultantes da interação dos nêutrons com o revestimento causam uma quantidade significativamente maior de ionização dentro da câmara de fissão do que a radiação gama incidente no detector. Isso resulta nos pulsos de carga gerados por nêutrons sendo significativamente maiores que os pulsos gama. O circuito de discriminação de tamanho de pulso pode então ser usado para bloquear os pulsos gama indesejados. Portanto, as câmaras de fissão são muito sensíveis ao fluxo de nêutrons e isso permite que as câmaras de fissão operem em campos gama mais altos do que uma câmara de íons não compensada com revestimento de boro.

As câmaras de fissão são frequentemente usadas como dispositivos indicadores de corrente e dispositivos de pulso, dependendo do nível do fluxo de nêutrons. No modo de pulso, as câmaras de fissão são especialmente úteis, devido à grande diferença de tamanho de pulso entre nêutrons e raios gama. Quando a potência é alta na faixa intermediária ou na faixa de potência (ou seja, em um nível misto de alto nível e fluxo de nêutrons), as câmaras de fissão podem ser operadas no modo Campbelling (também conhecido como “modo de flutuação” ou “modo de tensão quadrada média”) fornecer medições confiáveis ​​e precisas relacionadas a nêutrons. A técnica Campbelling elimina a contribuição gama. Por causa do uso duplo da câmara de fissão, ela é frequentemente usada em canais de “ampla gama” em sistemas de instrumentação nuclear.

Detectores de faixa de potência

Os detectores de faixa de potência são o principal sistema de instrumentação nuclear para operação de energia. Eles monitoram o fluxo de nêutrons (potência do reator) de zero a cerca de 120% da potência nominal total, juntamente com a indicação da distribuição axial e radial dessa potência. Eles também fornecem indicação, alarmes e sinais de disparo do reator. À medida que o nível do fluxo de nêutrons aumenta para a faixa de potência, a compensação gama não é uma grande preocupação, porque os raios gama não contribuem muito para a ionização total (cerca de 0,1% a 100% da potência). Portanto, a instrumentação da faixa de potência geralmente consiste em quatro câmaras de ionização descompensadas , cada uma com seu próprio detector separado, passagem de cabo e circuito eletrônico. A câmara de ionização , também conhecida como câmara de íons, é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante . A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região de ionização . A tensão não é alta o suficiente para produzir amplificação de gás (ionização secundária). As câmaras de ionização são preferidas para altas taxas de dose de radiação porque não têm “ tempo morto ””, Um fenômeno que afeta a precisão do tubo Geiger-Mueller em altas taxas de dose. O detector consiste em uma única câmara cilíndrica cuja operação é idêntica à da câmara revestida de boro da câmara de íons compensados. Essa câmara descompensada é sensível aos raios gama e nêutrons. No entanto, na faixa de potência de operação, o nível de fluxo de nêutrons é muitas vezes maior que o fluxo gama e, portanto, nenhuma compensação gama é necessária.

Todos os quatro canais são fisicamente e funcionalmente idênticos. Cada canal de faixa de potência emprega um detector superior e inferior de câmara de íons descompensada (detector em tandem), que permite medir a diferença de fluxo axial . Cada canal também monitora um “quadrante” do núcleo. Um detector superior e um detector inferior são montados dentro do mesmo instrumento. As saídas de ambos os detectores (superior e inferior) são combinadas para produzir um sinal de potência total do canal. As oito saídas do detector (quatro detectores superiores e quatro detectores inferiores) são comparadas entre si para fornecer informações de distribuição de energia (AFD e QPTR ) ao operador do reator.

A diferença de fluxo axial é definida como a diferença nos sinais de fluxo normalizados (AFD) entre as metades superior e inferior de um detector de nêutrons excore de duas seções, diminuirá.

AFD é definido como:

AFD ou ΔI = I _superior – I _inferior

onde _topo e _fundo são expressos como uma fração da potência térmica nominal.

QPTR é definido como:

A razão entre a saída calibrada do detector superior e a média das saídas calibradas do detector superior ou a proporção entre a saída calibrada do detector superior e a média das saídas calibradas do detector inferior, o que for maior.

A instrumentação da faixa de potência monitora e indica o nível do fluxo de nêutrons do núcleo do reator e a taxa pela qual o fluxo de nêutrons muda durante uma operação de energia e a carga padrão segue a operação. O fluxo de nêutrons é indicado como porcentagem da potência nominal. A taxa de variação da população de nêutrons é indicada como taxa de inicialização (SUR), que é definida como o número de fatores de dez que a energia muda em um minuto. Portanto, as unidades do SUR são potências de dez por minuto, ou décadas por minuto ( dpm ).

Embora o sistema de instrumentação nuclear forneça resposta imediata às mudanças no fluxo de nêutrons e seja um sistema insubstituível, ele deve ser calibrado . Os canais da faixa de potência são calibrados para indicar a porcentagem de energia térmica nominal por um balanço de calor secundário (calorimétrico). A potência térmica precisa do reator pode ser medida apenas por métodos baseados no balanço de energia do circuito primário ou no balanço de energia do circuito secundário.

Referência especial: Plano de revisão padrão para a revisão de relatórios de análise de segurança para usinas nucleares: LWR Edition. NUREG-0800, NRC dos EUA.

Fluxo de nêutrons e queima de combustível

Em um reator de potência durante um período relativamente curto de tempo (dias ou semanas), a densidade do número atômico dos átomos de combustível permanece relativamente constante. Portanto, neste curto período, também o fluxo médio de nêutrons permanece constante , quando o reator é operado a um nível de potência constante. Por outro lado, as densidades do número atômico de isótopos físseis diminuem durante um período de meses devido à queima de combustível e, portanto, também as seções macroscópicas diminuem. Isso resulta em um aumento lento no fluxo de nêutrons para manter o nível de potência desejado. Portanto, o sistema de instrumentação nuclear excore deve ser calibrado periodicamente.

Faixa de potência – Segurança do reator

Como foi escrito, o sistema de instrumentação nuclear excore é considerado um sistema relacionado à segurança, porque fornece entradas para o sistema de proteção do reator . O disparo do fluxo de nêutrons da faixa de potência fornece a proteção do núcleo para muitos acidentes de excursão de potência no MODO 1 (operação de energia). Exemplos de sinais de ação de proteção fornecidos pela faixa de potência incluem:

• O fluxo de nêutrons da faixa de potência (baixo – ponto de ajuste). Um disparo do reator ocorrerá se o nível de energia exceder o valor predefinido (por exemplo, 25%) em dois dos quatro canais e o disparo não estiver bloqueado.
• O fluxo de nêutrons da faixa de potência (alto – ponto de ajuste). Um disparo do reator ocorrerá se o nível de energia exceder o valor predefinido (por exemplo, 109%) em dois dos quatro canais para proteger o núcleo de uma condição de sobrecarga e para proteger de uma excursão de reatividade positiva que leva ao DNB durante operações de energia. Esta viagem não pode ser bloqueada.
• Taxa de viagens . Se a taxa de variação da potência do reator exceder um valor predefinido na direção positiva ou negativa, ocorrerá um disparo do reator.
  • O disparo de alta taxa positiva garante que a proteção seja fornecida contra aumentos rápidos no fluxo de nêutrons, característicos de uma ruptura do alojamento da haste de acionamento RCCA e da ejeção que acompanha o RCCA.
  • A viagem com taxa negativa alta garante proteção para vários acidentes com queda de haste. Em níveis altos de potência, um acidente de queda múltipla da haste pode causar pico de fluxo local que resultaria em um DNBR local não conservador.