Os detectores de nêutrons auto-alimentados ( SPND ) são detectores de nêutrons que estão sendo amplamente utilizados em reatores para monitorar o fluxo de nêutrons devido à sua adaptabilidade para ambientes severos no núcleo. Os SPNDs podem fazer parte do sistema de monitoramento de fluxo de nêutrons, que fornece informações detalhadas sobre a distribuição do fluxo de nêutrons e, portanto, as margens desses limites de pico de potência. Esses detectores usam o processo básico de decaimento radioativo de seu material de ativação de nêutrons para produzir um sinal de saída. Como o nome indica, os SPNDs não precisam de uma fonte de tensão externa para criar um potencial de tensão no detector. Em vez disso, uma corrente é produzida no detector como resultado da ativação de nêutronse posterior decaimento beta do próprio detector. Devido à emissão dessas partículas beta (elétrons), o fio se torna cada vez mais carregado positivamente. O potencial positivo do fio faz com que uma corrente flua no resistor R. A corrente de elétrons do decaimento beta pode ser medida diretamente com um amperímetro.
Existem duas vantagens principais do detector de nêutrons auto-alimentado:
- É necessária muito pouca instrumentação, geralmente apenas um milivoltímetro ou um amperímetro
- O material emissor tem uma vida útil muito maior do que o revestimento de boro ou urânio-235 usado nas câmaras de fissão.
Por outro lado, também existem desvantagens, uma delas está associada ao fato de que as correntes, mesmo em operação com potência máxima, são muito baixas. Portanto, os SPNDs não conseguem fornecer informações sobre a distribuição de fluxo em operação de baixa potência (10% ou menos). A principal desvantagem do detector de nêutrons autoalimentado é que o material do emissor decai com uma meia-vida característica, que determina o tempo de resposta do detector. Dependendo do tempo de resposta, esses detectores são amplamente classificados como:
- Detectores de resposta imediata . Os detectores de resposta rápida como Cobalt e Inconel são usados em aplicações de proteção e regulação de reatores.
- Detectores de resposta atrasada . Os detectores de resposta atrasada, como Vanádio e Ródio, estão sendo amplamente utilizados para o Flux Mapping System (FMS).
O SPND típico é um cabo coaxial que consiste em:
- Emissor . Um eletrodo interno, que é feito de um material que absorve um nêutron e sofre decaimento radioativo emitindo um elétron (decaimento beta). O emissor geralmente é feito de ródio e é usado para produzir elétrons.
- Isolamento. O emissor é cercado por isolamento, que geralmente é feito de óxido de alumínio.
- Colecionador . As paredes metálicas do detector envolvem essas peças e servem como coletor para o. elétrons que são produzidos.- O coletor é conectado ao potencial de aterramento,
Os detectores de nêutrons auto-alimentados geralmente são colocados no tubo de instrumentação de um conjunto de combustível; eles podem monitorar todo o comprimento dos conjuntos de combustível selecionados para fornecer um mapa tridimensional extremamente preciso da distribuição do fluxo de nêutrons . Usando esses dados, a reconstrução do fluxo de nêutrons também pode ser realizada no restante do núcleo do reator.
Os materiais típicos usados para o emissor são cobalto, cádmio, ródio e vanádio. Esses materiais devem ser utilizados porque possuem temperaturas de fusão relativamente altas, seções transversais relativamente altas aos nêutrons térmicos e são compatíveis com o processo de fabricação do SPND.
Referência Especial: William H. Todt, Sr. CARACTERÍSTICAS DOS DETECTORES DE NEUTRO AUTOMÓVEIS UTILIZADOS EM RATORES DE ENERGIA. Corporação de tecnologia de imagem e detecção. Nova york.
Emissor de ródio – SPND à base de ródio
Um dos possíveis materiais é o ródio como emissor. Um SPND com um emissor de ródio tem uma sensibilidade relativamente alta , alta taxa de queima , perturba a densidade de energia local e tem um sinal ( duas vezes ) atrasado . O detector à base de ródio é o tipo de corrente beta do detector auto-alimentado, que usa a seguinte reação de ativação para produzir uma corrente que pode ser medida.
1 n + 103 Rh → 104 Rh → 104 Pd + β
Como pode ser visto, um nêutron capturado pelo ródio-103 faz com que um átomo de ródio-103 se torne um átomo radioativo de ródio-104 . O ródio-104 decai em paládio-104 mais uma partícula beta ( elétron ). A partícula beta tem energia suficiente para passar pelo isolador e alcançar o coletor. A meia-vida do ródio-104 ativado é de 42,3 segundos, o que atrasa a emissão da partícula carregada. O detector à base de ródio usa essa produção de partículas beta (elétrons) para criar uma corrente proporcional ao número de nêutrons capturados pelo emissor, que também é proporcional à densidade de potência do reator local. Uma parte do fluxo atual do detector é devido a raios gama. Para compensar esse sinal incorreto, uma correção de fundo é realizada através do detector de fundo, que consiste nos mesmos componentes que o detector, exceto que o ródio é removido.
O Rhodium-103 possui uma seção transversal de captura de 133 celeiros para nêutrons térmicos e uma ressonância em 1,25 eV. Essa reação leva à produção de 104 Rh com T 1/2 = 42 s, que é beta radioativo. Deve-se notar que cerca de 11 celeiros pertencem à reação na qual um isômero 104m Rh é produzido (com T 1/2 = 4,4 min).
As seguintes características são típicas quando usadas em reatores de potência térmica (por exemplo, PWR).
- A taxa de queima de ródio é de 0,39% ao mês em um fluxo térmico de nêutrons de 10 13 n / cm 2 / s.
- 92% do sinal tem meia-vida de 42 segundos.
- 8% do sinal tem meia-vida de 4,4 minutos.
- A emissão beta tem uma energia de 2,44 MeV.
Emissor de vanádio – SPND à base de vanádio
Um SPND com um emissor de vanádio tem uma sensibilidade relativamente baixa, baixa taxa de queima, com perturbação mínima da densidade de potência local e um sinal atrasado muito longo. O detector à base de vanádio é o tipo de corrente beta do detector auto-alimentado, que usa a seguinte reação de ativação para produzir uma corrente que pode ser medida.
1 n + 51 V → 52 V → 52 Cr + β
O vanádio-51 possui uma seção transversal de captura de 4,9 celeiros para nêutrons térmicos sem ressonâncias. Essa reação leva à produção de 52 V com T 1/2 = 3,74 min, que é beta radioativo .
As seguintes características são típicas quando usadas em reatores de potência térmica (por exemplo, PWR).
- A taxa de queima de vanádio é de 0,012% por mês em um fluxo térmico de nêutrons de 10 13 n / cm 2 / s.
- 99% do sinal tem meia-vida de 3,8 minutos.
- 1% do sinal é rápido.
- A emissão beta subsequente possui uma energia de 2,6 MeV.
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