Nick Connor

Spaltneutronen sind Neutronen, die bei der Kernspaltung entstehen . Sie haben ein typisches Spektrum und es ist bekannt, dass die Spaltneutronen in jedem Kettenreaktionssystem von Bedeutung sind. Neutronen  lösen die  Kernspaltung  einiger Kerne aus ( ²³⁵ U ,  ²³⁸ U  oder sogar  ²³² Th ). Entscheidend ist, dass durch die Spaltung solcher Kerne  2, 3 oder mehr  freie Neutronen entstehen .

Nach der Spaltung werden jedoch nicht alle Neutronen  gleichzeitig freigesetzt . Sogar die Art der Erzeugung dieser Neutronen ist unterschiedlich. Aus dieser Sicht teilen wir die Spaltungsneutronen normalerweise in zwei Gruppen ein:

• Prompt Neutronen .  Prompte Neutronen werden direkt aus der Spaltung emittiert  und sie werden innerhalb sehr kurzer Zeit von etwa 10 ^–14  Sekunden emittiert .
• Verzögerte Neutronen .  Verzögerte Neutronen werden von neutronenreichen  Spaltfragmenten emittiert  , die als  verzögerte Neutronenvorläufer bezeichnet werden . Diese Vorläufer unterliegen normalerweise einem  Beta-Zerfall,  aber ein kleiner Teil von ihnen ist angeregt genug, um eine Neutronenemission zu erfahren . Die Tatsache, dass das Neutron durch diese Art des Zerfalls erzeugt wird und dies im Vergleich zur Emission der prompten Neutronen um Größenordnungen später geschieht , spielt eine äußerst wichtige Rolle bei der Steuerung des Reaktors.

Spektrum der Spaltungsneutronen

Region der schnellen Neutronen

Der erste Teil des  Neutronenflussspektrums  in thermischen Reaktoren ist der  Bereich der schnellen Neutronen . Alle durch Spaltung erzeugten Neutronen werden als  schnelle Neutronen  mit hoher kinetischer Energie geboren.

Zuerst müssen wir zwischen  schnellen Neutronen  und  prompten Neutronen unterscheiden . Die prompten Neutronen können manchmal  unkorrekt  mit den schnellen Neutronen verwechselt werden. Aber es gibt einen wesentlichen Unterschied zwischen ihnen.  Schnelle Neutronen  sind Neutronen, die nach der kinetischen Energie kategorisiert werden  , während  schnelle Neutronen  nach dem  Zeitpunkt ihrer Freisetzung kategorisiert werden .

Die meisten  Neutronen,  die bei der Spaltung entstehen, sind schnelle Neutronen. Normalerweise sind  mehr als 99 Prozent  der Spaltungsneutronen die prompten Neutronen, aber der genaue Anteil hängt vom zu spaltenden Nuklid ab und ist auch von der einfallenden Neutronenenergie  abhängig  (steigt normalerweise mit der Energie an). Zum Beispiel kann eine Spaltung von  ²³⁵ U  durch thermische Neutronen liefert  2,43 Neutronen , davon  2,42 Neutronen sind die prompt Neutronen  und 0,01585 Neutronen  (0,01585 / 2,43 = 0,0065 = ß)  sind  die verzögerten Neutronen .

Die großen der prompten Neutronen und sogar die verzögerten Neutronen werden als schnelle Neutronen (dh mit einer kinetischen Energie von mehr als> 1 keV) geboren. Diese beiden Gruppen von Spaltungsneutronen haben jedoch unterschiedliche Energiespektren und tragen daher unterschiedlich zum Spaltungsspektrum bei. Da  mehr als 99 Prozent  der Spaltungsneutronen die prompten Neutronen sind, ist es offensichtlich, dass sie das gesamte Spektrum dominieren werden.

Daher kann das schnelle Neutronenspektrum durch folgende Punkte beschrieben werden:

• Fast alle Spaltneutronen haben  Energien zwischen 0,1 MeV und 10 MeV .
• Die mittlere Neutronenenergie beträgt ca.  2 MeV .
• Die wahrscheinlichste Neutronenenergie beträgt etwa  0,7 MeV .

Das schnelle Neutronenspektrum kann durch die folgende (auf eins normierte) Verteilung angenähert werden:

Die während der Spaltung mit einer durchschnittlichen Energie von 2 MeV  in einem Reaktor freigesetzten Neutronen  unterliegen einer  Reihe von Kollisionen  ( elastisch  oder  unelastisch ), bevor sie absorbiert werden. Durch diese Kollisionen  verlieren sie Energie , so dass das  Reaktorspektrum nicht mit dem Spaltungsspektrum identisch ist , sondern immer  „weicher“  als das Spaltungsspektrum. Tatsache ist, dass das Spaltspektrum der Teil des Reaktorspektrums ist.

Schnelle Neutronen sind Neutronen mit einer kinetischen Energie von mehr als 1 MeV (~ 15 000 km / s). In Kernreaktoren werden diese Neutronen üblicherweise als Spaltneutronen bezeichnet. Die Spaltungsneutronen haben eine Maxwell-Boltzmann-Energieverteilung mit einer mittleren Energie (für 235U-Spaltung ) von 2 MeV. In einem Kernreaktor werden die schnellen Neutronen durch einen Prozess, der als Neutronenmoderation bezeichnet wird , zu thermischen Energien abgebremst. Diese Neutronen werden auch durch Kernprozesse wie Kernspaltung oder (ɑ, n) -Reaktionen erzeugt .

Im Allgemeinen gibt es viele Detektionsprinzipien und viele Arten von Detektoren. Es muss jedoch hinzugefügt werden, dass die schnelle Neutronendetektion eine sehr ausgefeilte Disziplin ist, da der Querschnitt schneller Neutronen viel kleiner ist als im Energiebereich für langsame Neutronen. Schnelle Neutronen werden oft entdeckt, indem sie zuerst auf thermische Energien abgebremst werden. Dabei gehen jedoch die Informationen über die ursprüngliche Energie des Neutrons, seine Bewegungsrichtung und die Emissionszeit verloren.

Proton Recoil – Rückstoßdetektoren

Der wichtigste Detektortyp für schnelle Neutronen ist derjenige, der Rückstoßteilchen , insbesondere Rückstoßprotonen, die durch elastische (n, p) Streuung entstehen, direkt detektiert . Tatsächlich sind nur Wasserstoff- und Heliumkerne für die praktische Anwendung leicht genug. Im letzteren Fall werden die Rückstoßpartikel in einem Detektor detektiert. Neutronen können mehr Energie auf Lichtkerne übertragen. Diese Methode eignet sich zum Nachweis schneller Neutronen und ermöglicht den Nachweis schneller Neutronen ohne Moderator . Mit dieser Methode kann die Energie des Neutrons zusammen mit der Neutronenfluenz gemessen werden, dh der Detektor kann als Spektrometer verwendet werden. Typische schnelle Neutronendetektoren sind FlüssigszintillatorenHelium-4-basierte Edelgasdetektoren und Kunststoffdetektoren (Szintillatoren). Beispielsweise hat der Kunststoff einen hohen Wasserstoffgehalt, daher ist er für schnelle Neutronendetektoren nützlich , wenn er als Szintillator verwendet wird.

Bonner Spheres Spektrometer

Es gibt verschiedene Methoden zum Nachweis langsamer Neutronen und wenige Methoden zum Nachweis schneller Neutronen. Daher besteht eine Technik zum Messen schneller Neutronen darin, sie in langsame
Neutronen umzuwandeln und dann die langsamen Neutronen zu messen. Eine der möglichen Methoden basiert auf Bonner-Kugeln . Die Methode wurde erstmals 1960 von Ewing und Tom W. Bonner beschrieben und verwendet thermische Neutronendetektoren (normalerweise anorganische Szintillatoren wie ⁶ LiI), die in moderierende Kugeln unterschiedlicher Größe eingebettet sind.  Bonner-Kugeln werden häufig zur Messung von Neutronenspektren mit Neutronenenergien im Bereich von thermischen bis zu mindestens 20 MeV verwendet. Ein Bonner-Kugelneutronenspektrometer (BSS) besteht aus einem thermischen Neutronendetektor und einer Kugelschale aus Polyethylenund zwei optionale Bleischalen in verschiedenen Größen. Zum Nachweis thermischer Neutronen können ein ³ He-Detektor oder anorganische Szintillatoren wie ⁶ LiI verwendet werden. LiGlass-Szintillatoren sind sehr beliebt für den Nachweis von thermischen Neutronen. Der Vorteil von LiGlass-Szintillatoren ist ihre Stabilität und ihr großer Größenbereich.

Detektion von Neutronen mittels Szintillationszähler

Szintillationszähler  werden verwendet, um Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen zu messen, einschließlich Handmessgeräten für Strahlungsmessungen, Personal- und Umgebungsüberwachung auf  radioaktive Kontamination , medizinische Bildgebung, radiometrische Tests, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Nuklearanlagen. Sie sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig und dennoch mit gutem Wirkungsgrad hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können.

Szintillationszähler können verwendet werden, um Alpha- ,  Beta- und  Gammastrahlung zu erfassen  . Sie können auch zum  Nachweis von Neutronen eingesetzt werden . Zu diesem Zweck werden verschiedene Szintillatoren verwendet.

• Neutronen . Da die Neutronen  elektrisch neutrale Teilchen sind, sind  sie hauptsächlich  starken Kernkräften ausgesetzt,  jedoch keinen elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen  nicht direkt  und müssen in der Regel  in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Typ von Neutronendetektor mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in übliche nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.  Schnelle Neutronen  (> 0,5 MeV) beruhen in erster Linie auf dem Rückstoßproton in (n, p) -Reaktionen. Materialien, die reich an Wasserstoff sind, zum Beispiel  Kunststoff-Szintillatoreneignen sich daher am besten für ihre Detektion. Thermische Neutronen  stützen sich auf Kernreaktionen wie die (n, γ) – oder (n, α) -Reaktionen, um Ionisation zu erzeugen. Materialien wie LiI (Eu) oder Glassilikate eignen sich daher besonders zum Nachweis von thermischen Neutronen. Der Vorteil von 6LiGlass-Szintillatoren ist ihre Stabilität und ihr großer Größenbereich.

Neutronen können mit Aktivierungsfolien und Flussdraht nachgewiesen werden . Diese Methode basiert auf der Neutronenaktivierung, bei der eine analysierte Probe zuerst mit Neutronen bestrahlt wird , um spezifische Radionuklide zu erzeugen . Der radioaktive Zerfall dieser produzierten Radionuklide ist für jedes Element (Nuklid) spezifisch. Jedes Nuklid sendet die charakteristischen Gammastrahlen aus, die mittels Gammaspektroskopie gemessen werden , wobei bei einer bestimmten Energie nachgewiesene Gammastrahlen ein bestimmtes Radionuklid anzeigen und die Konzentrationen der Elemente bestimmen.

Ausgewählte Materialien für Aktivierungsfolien sind beispielsweise:

• Indium,
• Gold,
• rhodium,
• Eisen
• Aluminium  
• Niob

Diese Elemente haben große Querschnitte zum strahlenden Einfangen von Neutronen . Die Verwendung mehrerer Absorberproben ermöglicht die Charakterisierung des Neutronenenergiespektrums. Die Aktivierung ermöglicht auch die Wiederherstellung einer historischen Neutronenexposition. Kommerziell erhältliche Kritikalitätsunfalldosimeter verwenden oft diese Methode. Indem wir die Radioaktivität dünner Folien messen , können wir die Anzahl der Neutronen bestimmen, denen die Folien ausgesetzt waren.

Flussdrähte können in Kernreaktoren zur Messung der Neutronenflussprofile von Reaktoren verwendet werden. Prinzipien sind die gleichen. Draht oder Folie wird direkt in den Reaktorkern eingelegt , bleibt so lange im Kern, bis die gewünschte Aktivierungsstufe erreicht ist. Nach der Aktivierung wird der Flussdraht oder die Folie schnell vom Reaktorkern entfernt und die Aktivität gezählt. Aktivierte Folien können auch die Energieniveaus unterscheiden, indem eine Abdeckung über die Folie gelegt wird, um bestimmte Neutronen der Energieniveaus herauszufiltern (zu absorbieren). Zum Beispiel wird Cadmium häufig verwendet, um thermische Neutronen in thermischen Neutronenfiltern zu absorbieren.

Der Nachweis von Neutronen ist sehr spezifisch, da die Neutronen elektrisch neutrale Teilchen sind  und daher hauptsächlich starken Kernkräften, jedoch keinen elektrischen Kräftenausgesetzt sind. Daher ionisieren Neutronen nicht direkt und müssen in der Regelin geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Typ von Neutronendetektor mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in übliche nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.

Neutronen-Konverter

Zu diesem Zweck stehen zwei grundlegende Arten von Neutronenwechselwirkungen mit Materie zur Verfügung:

• Elastische Streuung . Das freie Neutron kann von einem Kern gestreut werden und einen Teil seiner kinetischen Energie auf den Kern übertragen. Wenn das Neutron genug Energie hat, um Kerne zu zerstreuen, ionisiert der Rückstoßkern das Material, das den Konverter umgibt. Tatsächlich sind nur Wasserstoff- und Heliumkerne für die praktische Anwendung leicht genug. Auf diese Weise erzeugte Ladung kann durch den herkömmlichen Detektor gesammelt werden, um ein detektiertes Signal zu erzeugen. Neutronen können mehr Energie auf Lichtkerne übertragen. Diese Methode eignet sich zum Nachweis schneller Neutronen (schnelle Neutronen haben keinen hohen Absorptionsquerschnitt) und ermöglicht den Nachweis schneller Neutronen ohne Moderator .
• Neutronenabsorption . Dies ist eine übliche Methode, mit der Neutronen des gesamten Energiespektrums nachgewiesen werden können . Diese Methode basiert auf verschiedenen Absorptionsreaktionen ( Strahlungseinfang , Kernspaltung , Umlagerungsreaktionen usw.). Das Neutron wird dabei von Targetmaterial (Konverter) absorbiert, das Sekundärteilchen wie Protonen, Alphateilchen, Betateilchen, Photonen ( Gammastrahlen ) oder Spaltfragmente emittiert . Einige Reaktionen sind Schwellenreaktionen (die eine minimale Energie von Neutronen erfordern), aber die meisten Reaktionen treten bei epithermalen und thermischen Energien auf. Dies bedeutet, dass die Moderation schneller Neutronen erforderlich ist, was zu einer schlechten Energieinformation der Neutronen führt. Die gebräuchlichsten Kerne für das Neutronenkonvertermaterial sind:
  • ¹⁰ B (n, α). Wenn der Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen σ = 3820 ist und das natürliche Bor einenAnteilvon ¹⁰ B 19,8% hat.
  • ³ He (n, p). Wenn der Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen σ = 5350 ist und das natürliche Helium einenAnteilvon ³ He 0,014% aufweist.
  • ⁶ Li (n, α). Bei einem Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen von σ = 925 Scheunen und einem natürlichen Lithiumgehalt von ⁶ Li 7,4%.
  • ¹¹³ Cd (n, ɣ). Wo der Neutroneneinfangquerschnitt für thermische Neutronen σ = 20820 ist und das natürliche Cadmium einenAnteilvon ¹¹³ Cd 12,2% hat.
  • ²³⁵ U (n, Spaltung). Bei einem Spaltquerschnitt für thermische Neutronen von σ = 585 Scheunen und einem natürlichen Urangehalt von ²³⁵ U 0,711%. Uran als Konverter produziert Spaltfragmente, bei denen es sich um schwer geladene Teilchen handelt. Dies hat erhebliche Vorteile. Die stark geladenen Teilchen (Spaltfragmente) erzeugen ein hohes Ausgangssignal, weil die Fragmente eine große Menge Energie in einem detektorsensitiven Volumen ablegen. Dies ermöglicht eine einfache Unterscheidung der Hintergrundstrahlung (Ei- Gammastrahlung). Dieses wichtige Merkmal kann beispielsweise bei einer Kernreaktorleistungsmessung verwendet werden, bei der das Neutronenfeld von einem signifikanten Gamma-Hintergrund begleitet wird.

Beispiel – Neutronenkonverter

Spaltkammer – Weitbereichsdetektoren

Spaltkammern  sind Ionisationsdetektoren zum Nachweis von Neutronen. Spaltkammern können als Zwischenbereichsdetektoren verwendet werden, um den Neutronenfluss (Reaktorleistung) auf dem Zwischenflussniveau zu überwachen. Sie liefern auch Anzeigen, Alarme und Reaktorauslösesignale. Das Design dieses Instruments wurde so gewählt, dass eine Überlappung zwischen den Quellenbereichskanälen und der vollen Spannweite der Leistungsbereichsinstrumente gewährleistet ist.

Bei  Spaltkammern ist die Kammer mit einer dünnen Schicht aus hochangereichertem Uran-235 beschichtet   , um Neutronen nachzuweisen. Neutronen  ionisieren nicht direkt  und müssen normalerweise   in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Ein  thermisches Neutron  bewirkt die Spaltung eines Uran-235-Atoms  , wobei die beiden   erzeugten Spaltfragmente eine hohe  kinetische Energie aufweisen  und eine Ionisierung des Argongases im Detektor verursachen. Ein Vorteil der Verwendung einer Uran-235-Beschichtung anstelle von Bor-10 besteht darin, dass die Spaltfragmente eine viel höhere Energie aufweisen als die Alpha-Partikel aus einer Borreaktion. Deshalb Spaltkammern  sind  sehr empfindlich  gegenüber Neutronenfluss und dies ermöglicht es den Spaltkammern, in  höheren Gammafeldern zu arbeiten  als eine nicht kompensierte Ionenkammer mit Borauskleidung.

Protonenrückstoß – Rückstoßdetektoren

Der wichtigste Detektortyp für schnelle Neutronen sind solche, die Rückstoßteilchen direkt erfassen , insbesondere Rückstoßprotonen, die aus elastischer (n, p) Streuung resultieren. Tatsächlich sind nur Wasserstoff- und Heliumkerne leicht genug für die praktische Anwendung. Im letzteren Fall werden die Rückstoßpartikel in einem Detektor erfasst. Neutronen können mehr Energie auf Lichtkerne übertragen. Diese Methode eignet sich zum Nachweis schneller Neutronen und ermöglicht den Nachweis schneller Neutronen ohne Moderator . Mit dieser Methode kann die Energie des Neutrons zusammen mit der Neutronenfluenz gemessen werden, dh der Detektor kann als Spektrometer verwendet werden. Typische schnelle Neutronendetektoren sind FlüssigszintillatorenEdelgasdetektoren auf Helium-4-Basis und Kunststoffdetektoren (Szintillatoren). Zum Beispiel hat der Kunststoff einen hohen Wasserstoffgehalt, daher ist er für schnelle Neutronendetektoren nützlich , wenn er als Szintillator verwendet wird.

Der Nachweis von Neutronen ist sehr spezifisch, da die Neutronen elektrisch neutrale Teilchen sind  und daher hauptsächlich starken Kernkräften, jedoch keinen elektrischen Kräftenausgesetzt sind. Daher ionisieren Neutronen nicht direkt und müssen in der Regelin geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Typ von Neutronendetektor mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in übliche nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.

Detektion von thermischen Neutronen

Thermische Neutronen sind Neutronen im thermischen Gleichgewicht mit einem umgebenden Medium mit einer Temperatur von 290 K (17 ° C). Die wahrscheinlichste Energie bei 17 ° C für die Maxwellsche Verteilung ist 0,025 eV (~ 2 km / s). Dieser Teil des Energiespektrums von Neutronen ist der wichtigste Teil des Spektrums in thermischen Reaktoren .

Thermische Neutronen haben eine andere und häufig viel größere effektiven Neutronenabsorptionsquerschnitt ( fission oder Strahlungseinfang ) für eine gegebene Nuklid als schnelle Neutronen.

Im Allgemeinen gibt es viele Detektionsprinzipien und viele Arten von Detektoren. In Kernreaktoren sind Gasionisationsdetektoren am häufigsten, da sie sehr effizient und zuverlässig sind und einen weiten Bereich des Neutronenflusses abdecken. Verschiedene Arten von Gasionisationsdetektoren bilden das sogenannte  Excore Nuclear Instrumentation System (NIS) . Das Excore-Nuklearinstrumentierungssystem überwacht den Leistungspegel des Reaktors, indem es  Neutronenlecks  aus dem Reaktorkern erkennt .

Detektion von Neutronen mittels Ionisationskammer

Ionisationskammern werden häufig als Vorrichtung zum Erfassen geladener Teilchen verwendet. Wenn zum Beispiel die innere Oberfläche der Ionisationskammer mit einer dünnen Schicht Bor beschichtet ist, kann die (n, alpha) -Reaktion stattfinden. Die meisten (n, alpha) -Reaktionen von thermischen Neutronen sind  10B (n, alpha) 7Li-  Reaktionen, die von 0,48 MeV begleitet werden 

Darüber hinaus weist das Isotop Bor-10 einen hohen (n, alpha) Reaktionsquerschnitt entlang des gesamten  Neutronenenergiespektrums auf . Das Alpha-Teilchen bewirkt eine Ionisierung innerhalb der Kammer, und ausgestoßene Elektronen verursachen weitere sekundäre Ionisierungen.

Ein anderes Verfahren zum Nachweis von Neutronen unter Verwendung einer Ionisationskammer besteht darin, das Gas  Bortrifluorid  (BF ₃ ) anstelle von Luft in der Kammer zu verwenden. Die einfallenden Neutronen produzieren Alpha-Partikel, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. Mit beiden Methoden können Neutronen im Kernreaktor nachgewiesen werden. Es ist zu beachten, dass BF ₃  Zähler üblicherweise im Proportionalbereich betrieben werden.

Spaltkammer – Weitbereichsdetektoren

Spaltkammern  sind Ionisationsdetektoren zum Nachweis von Neutronen. Spaltkammern können als Zwischenbereichsdetektoren verwendet werden, um den Neutronenfluss (Reaktorleistung) auf dem Zwischenflussniveau zu überwachen. Sie liefern auch Anzeigen, Alarme und Reaktorauslösesignale. Das Design dieses Instruments wurde so gewählt, dass eine Überlappung zwischen den Quellenbereichskanälen und der vollen Spannweite der Leistungsbereichsinstrumente gewährleistet ist.

Bei  Spaltkammern ist die Kammer mit einer dünnen Schicht aus hochangereichertem Uran-235 beschichtet   , um Neutronen nachzuweisen. Neutronen  ionisieren nicht direkt  und müssen normalerweise   in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Ein  thermisches Neutron  bewirkt die Spaltung eines Uran-235-Atoms  , wobei die beiden   erzeugten Spaltfragmente eine hohe  kinetische Energie aufweisen  und eine Ionisierung des Argongases im Detektor verursachen. Ein Vorteil der Verwendung einer Uran-235-Beschichtung anstelle von Bor-10 besteht darin, dass die Spaltfragmente eine viel höhere Energie aufweisen als die Alpha-Partikel aus einer Borreaktion. Deshalb Spaltkammern  sind  sehr empfindlich  gegenüber Neutronenfluss und dies ermöglicht es den Spaltkammern, in  höheren Gammafeldern zu arbeiten  als eine nicht kompensierte Ionenkammer mit Borauskleidung.

Aktivierungsfolien und Flussdrähte

Neutronen können mit Aktivierungsfolien und Flussdrähten nachgewiesen werden . Diese Methode basiert auf der Neutronenaktivierung, bei der eine analysierte Probe zuerst mit Neutronen bestrahlt wird , um spezifische Radionuklide herzustellen . Der radioaktive Zerfall dieser erzeugten Radionuklide ist für jedes Element (Nuklid) spezifisch. Jedes Nuklid emittiert die charakteristischen Gammastrahlen, die mittels Gammaspektroskopie gemessen werden , wobei bei einer bestimmten Energie detektierte Gammastrahlen ein bestimmtes Radionuklid anzeigen und die Konzentrationen der Elemente bestimmen.

Ausgewählte Materialien für Aktivierungsfolien sind zum Beispiel:

• Indium,
• Gold,
• Rhodium,
• Eisen
• Aluminium  
• Niob

Diese Elemente haben große Querschnitte zum Einfangen von Neutronen durch Strahlung . Die Verwendung mehrerer Absorberproben ermöglicht die Charakterisierung des Neutronenenergiespektrums. Die Aktivierung ermöglicht auch die Wiederherstellung einer historischen Neutronenexposition. Im Handel erhältliche Unfalldosimeter für die Kritikalität verwenden häufig dieses Verfahren. Durch Messung der Radioaktivität dünner Folien können wir die Menge an Neutronen bestimmen, denen die Folien ausgesetzt waren.

Flussdrähte können in Kernreaktoren verwendet werden, um Reaktorneutronenflussprofile zu messen. Prinzipien sind die gleichen. Draht oder Folie wird direkt in den Reaktorkern eingeführt und verbleibt für die für die Aktivierung erforderliche Zeit auf dem gewünschten Niveau im Kern. Nach der Aktivierung wird der Flussdraht oder die Folie schnell vom Reaktorkern entfernt und die Aktivität gezählt. Aktivierte Folien können auch Energieniveaus unterscheiden, indem sie eine Abdeckung über die Folie legen, um bestimmte Neutronen des Energieniveaus herauszufiltern (zu absorbieren). Beispielsweise wird Cadmium häufig verwendet, um thermische Neutronen in thermischen Neutronenfiltern zu absorbieren.

Detektion schneller Neutronen

Schnelle Neutronen sind Neutronen mit einer kinetischen Energie von mehr als 1 MeV (~ 15 000 km / s). In Kernreaktoren werden diese Neutronen üblicherweise als Spaltneutronen bezeichnet. Die Spaltneutronen haben eine Maxwell-Boltzmann-Energieverteilung mit einer mittleren Energie (für 235U-Spaltung ) 2 MeV. In einem Kernreaktor werden die schnellen Neutronen durch einen als Neutronenmoderation bezeichneten Prozess auf die thermischen Energien verlangsamt. Diese Neutronen werden auch durch Kernprozesse wie Kernspaltung oder (ɑ, n) Reaktionen erzeugt .

Im Allgemeinen gibt es viele Erkennungsprinzipien und viele Arten von Detektoren. Aber es muss hinzugefügt werden, dass der Nachweis schneller Neutronen eine sehr ausgefeilte Disziplin ist, da der Querschnitt schneller Neutronen viel kleiner ist als im Energiebereich für langsame Neutronen. Schnelle Neutronen werden oft erkannt, indem sie zuerst auf thermische Energien gemildert (verlangsamt) werden. Während dieses Prozesses gehen jedoch die Informationen über die ursprüngliche Energie des Neutrons, seine Fahrtrichtung und die Emissionszeit verloren.

Protonenrückstoß – Rückstoßdetektoren

Der wichtigste Detektortyp für schnelle Neutronen sind solche, die Rückstoßteilchen direkt erfassen , insbesondere Rückstoßprotonen, die aus elastischer (n, p) Streuung resultieren. Tatsächlich sind nur Wasserstoff- und Heliumkerne leicht genug für die praktische Anwendung. Im letzteren Fall werden die Rückstoßpartikel in einem Detektor erfasst. Neutronen können mehr Energie auf Lichtkerne übertragen. Diese Methode eignet sich zum Nachweis schneller Neutronen und ermöglicht den Nachweis schneller Neutronen ohne Moderator . Mit dieser Methode kann die Energie des Neutrons zusammen mit der Neutronenfluenz gemessen werden, dh der Detektor kann als Spektrometer verwendet werden. Typische schnelle Neutronendetektoren sind FlüssigszintillatorenEdelgasdetektoren auf Helium-4-Basis und Kunststoffdetektoren (Szintillatoren). Zum Beispiel hat der Kunststoff einen hohen Wasserstoffgehalt, daher ist er für schnelle Neutronendetektoren nützlich , wenn er als Szintillator verwendet wird.

Bonner Spheres Spektrometer

Es gibt verschiedene Methoden zum Nachweis langsamer Neutronen und wenige Methoden zum Nachweis schneller Neutronen. Daher besteht eine Technik zum Messen schneller Neutronen darin, sie in langsame
Neutronen umzuwandeln und dann die langsamen Neutronen zu messen. Eine der möglichen Methoden basiert auf Bonner-Kugeln . Das Verfahren wurde erstmals 1960 von Ewing und Tom W. Bonner beschrieben und verwendet thermische Neutronendetektoren (üblicherweise anorganische Szintillatoren wie ⁶ LiI), die in moderierende Kugeln unterschiedlicher Größe eingebettet sind.  Bonner-Kugeln wurden häufig zur Messung von Neutronenspektren mit Neutronenenergien im Bereich von thermisch bis mindestens 20 MeV verwendet. Ein Bonner-Kugel-Neutronenspektrometer (BSS) besteht aus einem thermischen Neutronendetektor und einer Reihe von Kugelschalen aus Polyethylenund zwei optionale Bleischalen in verschiedenen Größen. Zum Nachweis von thermischen Neutronen können ein ³ He-Detektor oder anorganische Szintillatoren wie ⁶ LiI verwendet werden. LiGlass-Szintillatoren sind sehr beliebt zum Nachweis von thermischen Neutronen. Der Vorteil von LiGlass-Szintillatoren ist ihre Stabilität und ihr großer Größenbereich.

Detektion von Neutronen mit dem Szintillationszähler

Szintillationszähler  werden zur Messung der Strahlung in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich handgehaltener Strahlungsmessgeräte, Personal- und Umweltüberwachung auf  radioaktive Kontamination , medizinische Bildgebung, radiometrische Untersuchung, nukleare Sicherheit und Sicherheit von Kernkraftwerken. Sie sind weit verbreitet, weil sie kostengünstig und dennoch mit guter Effizienz hergestellt werden können und sowohl die Intensität als auch die Energie der einfallenden Strahlung messen können.

Szintillationszähler können verwendet werden, um Alpha- ,  Beta- und  Gammastrahlung zu erfassen  . Sie können auch zum  Nachweis von Neutronen verwendet werden . Zu diesem Zweck werden verschiedene Szintillatoren verwendet.

• Neutronen . Da die Neutronen  elektrisch neutrale Teilchen sind, sind  sie hauptsächlich  starken Kernkräften ausgesetzt  , nicht jedoch elektrischen Kräften. Daher ionisieren Neutronen  nicht direkt  und müssen normalerweise  in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Im Allgemeinen muss jeder Typ eines Neutronendetektors mit einem Konverter (um Neutronenstrahlung in übliche nachweisbare Strahlung umzuwandeln) und einem der herkömmlichen Strahlungsdetektoren (Szintillationsdetektor, Gasdetektor, Halbleiterdetektor usw.) ausgestattet sein.  Schnelle Neutronen  (> 0,5 MeV) beruhen hauptsächlich auf dem Rückstoßproton in (n, p) -Reaktionen. Wasserstoffreiche Materialien, beispielsweise  Kunststoffszintillatorensind daher für ihre Erkennung am besten geeignet. Thermische Neutronen  beruhen auf Kernreaktionen wie den (n, γ) – oder (n, α) -Reaktionen, um eine Ionisation zu erzeugen. Materialien wie LiI (Eu) oder Glassilikate eignen sich daher besonders gut zum Nachweis von thermischen Neutronen. Der Vorteil von 6LiGlass-Szintillatoren ist ihre Stabilität und ihr großer Größenbereich.

Thermische Neutronen sind Neutronen im thermischen Gleichgewicht mit einem umgebenden Medium mit einer Temperatur von 290 K (17 ° C). Die wahrscheinlichste Energie bei 17 ° C für die Maxwellsche Verteilung ist 0,025 eV (~ 2 km / s). Dieser Teil des Energiespektrums von Neutronen ist der wichtigste Teil des Spektrums in thermischen Reaktoren .

Thermische Neutronen haben eine andere und häufig viel größere effektiven Neutronenabsorptionsquerschnitt ( fission oder Strahlungseinfang ) für eine gegebene Nuklid als schnelle Neutronen.

Im Allgemeinen gibt es viele Detektionsprinzipien und viele Arten von Detektoren. In Kernreaktoren sind Gasionisationsdetektoren am häufigsten, da sie sehr effizient und zuverlässig sind und einen weiten Bereich des Neutronenflusses abdecken. Verschiedene Arten von Gasionisationsdetektoren bilden das sogenannte  Excore Nuclear Instrumentation System (NIS) . Das Excore-Nuklearinstrumentierungssystem überwacht den Leistungspegel des Reaktors, indem es  Neutronenlecks  aus dem Reaktorkern erkennt .

Detektion von Neutronen mittels Ionisationskammer

Ionisationskammern werden häufig als Vorrichtung zum Erfassen geladener Teilchen verwendet. Wenn zum Beispiel die innere Oberfläche der Ionisationskammer mit einer dünnen Schicht Bor beschichtet ist, kann die (n, alpha) -Reaktion stattfinden. Die meisten (n, alpha) -Reaktionen von thermischen Neutronen sind  10B (n, alpha) 7Li-  Reaktionen, die von 0,48 MeV begleitet werden 

Darüber hinaus weist das Isotop Bor-10 einen hohen (n, alpha) Reaktionsquerschnitt entlang des gesamten  Neutronenenergiespektrums auf . Das Alpha-Teilchen bewirkt eine Ionisierung innerhalb der Kammer, und ausgestoßene Elektronen verursachen weitere sekundäre Ionisierungen.

Ein anderes Verfahren zum Nachweis von Neutronen unter Verwendung einer Ionisationskammer besteht darin, das Gas  Bortrifluorid  (BF ₃ ) anstelle von Luft in der Kammer zu verwenden. Die einfallenden Neutronen produzieren Alpha-Partikel, wenn sie mit den Boratomen im Detektorgas reagieren. Mit beiden Methoden können Neutronen im Kernreaktor nachgewiesen werden. Es ist zu beachten, dass BF ₃  Zähler üblicherweise im Proportionalbereich betrieben werden.

Spaltkammer – Weitbereichsdetektoren

Spaltkammern  sind Ionisationsdetektoren zum Nachweis von Neutronen. Spaltkammern können als Zwischenbereichsdetektoren verwendet werden, um den Neutronenfluss (Reaktorleistung) auf dem Zwischenflussniveau zu überwachen. Sie liefern auch Anzeigen, Alarme und Reaktorauslösesignale. Das Design dieses Instruments ist so gewählt, dass es eine Überlappung zwischen den Quellbereichskanälen und der gesamten Spannweite der Leistungsbereichskanäle bietet.

Bei  Spaltkammern ist die Kammer mit einer dünnen Schicht aus hochangereichertem Uran-235 beschichtet   , um Neutronen nachzuweisen. Neutronen  ionisieren nicht direkt  und müssen normalerweise   in geladene Teilchen umgewandelt werden, bevor sie nachgewiesen werden können. Ein  thermisches Neutron  bewirkt die Spaltung eines Uran-235-Atoms  , wobei die beiden   erzeugten Spaltfragmente eine hohe  kinetische Energie aufweisen  und eine Ionisierung des Argongases im Detektor verursachen. Ein Vorteil der Verwendung einer Uran-235-Beschichtung anstelle von Bor-10 besteht darin, dass die Spaltfragmente eine viel höhere Energie aufweisen als die Alpha-Partikel aus einer Borreaktion. Deshalb Spaltkammern  sind  sehr empfindlich  gegenüber Neutronenfluss und dies ermöglicht es den Spaltkammern, in  höheren Gammafeldern zu arbeiten  als eine nicht kompensierte Ionenkammer mit Borauskleidung.

Aktivierungsfolien und Flussdrähte

Neutronen können mit Aktivierungsfolien und Flussdrähten nachgewiesen werden . Diese Methode basiert auf der Neutronenaktivierung, bei der eine analysierte Probe zuerst mit Neutronen bestrahlt wird , um spezifische Radionuklide herzustellen . Der radioaktive Zerfall dieser erzeugten Radionuklide ist für jedes Element (Nuklid) spezifisch. Jedes Nuklid emittiert die charakteristischen Gammastrahlen, die mittels Gammaspektroskopie gemessen werden , wobei bei einer bestimmten Energie detektierte Gammastrahlen ein bestimmtes Radionuklid anzeigen und die Konzentrationen der Elemente bestimmen.

Ausgewählte Materialien für Aktivierungsfolien sind zum Beispiel:

• Indium,
• Gold,
• Rhodium,
• Eisen
• Aluminium  
• Niob

Diese Elemente haben große Querschnitte zum Einfangen von Neutronen durch Strahlung . Die Verwendung mehrerer Absorberproben ermöglicht die Charakterisierung des Neutronenenergiespektrums. Die Aktivierung ermöglicht auch die Wiederherstellung einer historischen Neutronenexposition. Im Handel erhältliche Unfalldosimeter für die Kritikalität verwenden häufig dieses Verfahren. Durch Messung der Radioaktivität dünner Folien können wir die Menge an Neutronen bestimmen, denen die Folien ausgesetzt waren.

Flussdrähte können in Kernreaktoren verwendet werden, um Reaktorneutronenflussprofile zu messen. Prinzipien sind die gleichen. Draht oder Folie wird direkt in den Reaktorkern eingeführt und verbleibt für die für die Aktivierung erforderliche Zeit auf dem gewünschten Niveau im Kern. Nach der Aktivierung wird der Flussdraht oder die Folie schnell vom Reaktorkern entfernt und die Aktivität gezählt. Aktivierte Folien können auch Energieniveaus unterscheiden, indem sie eine Abdeckung über die Folie legen, um bestimmte Neutronen des Energieniveaus herauszufiltern (zu absorbieren). Beispielsweise wird Cadmium häufig verwendet, um thermische Neutronen in thermischen Neutronenfiltern zu absorbieren.

In Kernreaktoren ist die durch Kernspaltungen erzeugte Wärmeleistung proportional zum Neutronenflussniveau . Aus Gründen der Reaktorsicherheit ist es daher von größter Bedeutung, den Neutronenfluss und die räumliche Verteilung des Neutronenflusses im Reaktor korrekt und mit geeigneten Instrumenten zu messen und zu steuern . Zu diesem Zweck werden verschiedene Nuklearinstrumente installiert. Diese Messungen werden normalerweise außerhalb des Reaktorkerns durchgeführt, es werden jedoch auch Messungen innerhalb des Reaktorkerns durchgeführt. Daher werden nukleare Instrumente normalerweise in folgende Kategorien eingeteilt:

• Excore Nuclear Instrumentation
• Incore Nuclear Instrumentation

Beide Systeme basieren auf dem Nachweis von Neutronen . Es gibt aber Kraftwerke, die die Wärmeleistung mittels Stickstoff-16-Leistungsüberwachung messen. Eine N-16-Leistungsüberwachung hat mehrere Vorteile gegenüber den Messungen von ΔT und Excore-Leistung. Das auf dieser Methode basierende System überwacht die Wärmeleistung des NSSS (Nuclear Steam Supply System), indem es den im Kühlmittelsystem vorhandenen Stickstoff-16- Gehalt erfasst . Stickstoff-16 ist ein Isotop des Stickstoffs, das durch Neutronenaktivierung des im Wasser enthaltenen Sauerstoffs erzeugt wird . Es hat eine kurze Halbwertszeit von 7,1 Sekunden und zerfällt durch Betazerfall . Dieser Zerfall geht mit der Emission von sehr energiereichen Gammastrahlen einher(6 MeV), die leicht in die Wand der Hochdruckleitung eindringen können und daher leicht durch Ionenkammern gemessen werden können, die sich an den Heißrohrleitungen jedes Kühlmittelkreislaufs befinden.

¹ n + ¹⁶ O → ¹ p + ¹⁶ N (Aktivierungsreaktion)

 ¹⁶ N → ¹⁶ O + β + γ (radioaktiver Zerfall)

Stickstoff-16-Isotope entstehen durch schnelle Neutronenaktivierung des im Wasser enthaltenen Sauerstoff-16. Die Aktivierung resultiert aus einer Schwellenwertreaktion, die > 10 MeV schnelle Neutronen erfordert . Die Konzentration von Stickstoff-16 im Primärkühlmittel befindet sich im radioaktiven Gleichgewicht und ist direkt proportional zur Spaltgeschwindigkeit im Kern, also zur Reaktorleistung. Diese Aktivierung des Kühlwassers erfordert eine zusätzliche biologische Abschirmung der Kernreaktoranlage. Es ist der hochenergetische Gammastrahl von Stickstoff-16, der die größte Sorge hervorruft. Aus diesem Grund muss Wasser, das sich kürzlich in einem Kern eines Kernreaktors befand, abgeschirmt werden, bis diese Strahlung nachlässt. Ein bis zwei Minuten sind in der Regel ausreichend.

Ähnlich wie für das Kerninstrumentensystem Excore muss auch dieses N-16-Überwachungssystem kalibriert werden . Die genaue Wärmeleistung des Reaktors kann nur mit Methoden gemessen werden, die auf der Energiebilanz des Primärkreises oder der Energiebilanz des Sekundärkreises beruhen . Diese Verfahren liefern die genaueste Reaktorleistung.

Self-Powered Neutron Detectors ( SPND ) sind Neutronendetektoren, die aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an die Umgebung im Kern häufig in Reaktoren zur Überwachung des Neutronenflusses eingesetzt werden . SPNDs können Teil des Incore-Neutronenfluss-Überwachungssystems sein, das detaillierte Informationen zur Neutronenflussverteilung und damit zu den Grenzen dieser Spitzenleistungsgrenzen liefert. Diese Detektoren nutzen den grundlegenden radioaktiven Zerfallsprozess ihres Neutronenaktivierungsmaterials, um ein Ausgangssignal zu erzeugen. Wie der Name schon sagt,   benötigen SPNDs keine externe Spannungsquelle , um ein Spannungspotential im Detektor zu erzeugen. Stattdessen wird im Detektor als Ergebnis der Neutronenaktivierung ein Strom erzeugtund anschließender Betazerfall des Detektors. Durch die Emission dieser Betateilchen (Elektronen) wird der Draht immer positiver geladen. Das positive Potential des Drahtes bewirkt, dass ein Strom im Widerstand R fließt. Der Elektronenstrom vom Betazerfall kann direkt mit einem Amperemeter gemessen werden.

Vorteile von SPNDs

Der autarke Neutronendetektor bietet zwei Hauptvorteile:

• Es ist sehr wenig Instrumentierung erforderlich, normalerweise nur ein Millivoltmeter oder ein Amperemeter
• Das Emittermaterial hat eine viel längere Lebensdauer als die in Spaltkammern verwendete Bor- oder Uran-235-Auskleidung.

Nachteile von SPNDs

Andererseits gibt es auch Nachteile, die damit verbunden sind, dass Ströme auch bei Volllastbetrieb sehr gering sind. Daher können SPNDs keine Informationen über die Flussverteilung bei Betrieb mit geringer Leistung (10% und weniger) bereitstellen. Der Hauptnachteil des autarken Neutronendetektors besteht darin, dass das Emittermaterial mit einer charakteristischen Halbwertszeit zerfällt, die die Ansprechzeit des Detektors bestimmt.

Spezielle Referenz: William H. Todt, Sr. EIGENSCHAFTEN SELBSTBETRIEBENER NEUTRONEN-DETEKTOREN, DIE IN LEISTUNGSREAKTOREN VERWENDET WERDEN. Imaging and Sensing Technology Corporation. New York.