Dosimetría de radiación

Un  detector de semiconductores  es un detector de radiación que se basa en un  semiconductor , como el  silicio  o el  germanio,  para medir el efecto de partículas o fotones cargados incidentes. Los detectores de semiconductores  se utilizan ampliamente en  la protección contra la radiación , el ensayo de materiales radiactivos y la investigación física porque tienen algunas características únicas, se pueden fabricar de forma económica pero con buena eficiencia, y pueden medir tanto la intensidad como la energía de la radiación incidente. Estos detectores se emplean para medir la energía de la radiación y para la identificación de partículas. De los materiales semiconductores disponibles, el  silicio  se utiliza principalmente para detectores de partículas cargadas  (especialmente para rastrear partículas cargadas) y detectores de rayos X blandos, mientras que el  germanio  se usa ampliamente para  la espectroscopía de rayos gamma . Un semiconductor grande, limpio y casi perfecto es ideal como contador de  radiactividad . Sin embargo, es difícil hacer cristales grandes con suficiente pureza. Los detectores de semiconductores tienen, por lo tanto, baja eficiencia, pero dan una medida muy precisa de la energía. Los detectores de semiconductores, especialmente  los detectores basados ​​en germanio , se usan con mayor frecuencia cuando se requiere una muy buena resolución de energía. Para lograr la máxima eficiencia, los detectores deben funcionar a  temperaturas muy bajas de nitrógeno líquido (-196 ° C). Por lo tanto, el inconveniente es que los detectores de semiconductores son mucho más caros que otros detectores y requieren un enfriamiento sofisticado para reducir las corrientes de fuga (ruido).

Ventajas y desventajas de los detectores de semiconductores

Ventajas de los detectores HPGe

• Mayor número atómico. Se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción de rayos gamma.
• El germanio tiene una energía promedio más baja necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio.
• Muy buena resolución energética . El FWHM para detectores de germanio es una función de la energía. Para un fotón de 1.3 MeV, el FWHM es 2.1 keV, que es muy bajo.
• Los cristales grandes . Si bien los detectores a base de silicio no pueden ser más gruesos que unos pocos milímetros, el germanio puede tener un espesor de centímetros agotado y sensible y, por lo tanto, puede usarse como un detector de absorción total para rayos gamma de hasta pocos MeV.

Desventajas de los detectores HPGe

• Enfriamiento . El principal inconveniente de los detectores HPGe es que deben enfriarse a temperaturas de nitrógeno líquido. Debido a que el germanio tiene un intervalo de banda relativamente bajo , estos detectores deben enfriarse para reducir la generación térmica de portadores de carga a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector. Recuerde, la brecha de banda (una distancia entre la valencia y la banda de conducción ) es muy baja para germanio (Egap = 0.67 eV). El enfriamiento a la temperatura del nitrógeno líquido (-195.8 ° C; -320 ° F) reduce las excitaciones térmicas de los electrones de valencia, de modo que solo una interacción de rayos gamma puede dar a un electrón la energía necesaria para cruzar la brecha de banda y alcanzar la banda de conducción.
• Precio . La desventaja es que los detectores de germanio son mucho más caros que las cámaras de ionización o los contadores de centelleo .

Ventajas de los detectores de silicio

• En comparación con los detectores de ionización gaseosa, la densidad de un detector de semiconductores es muy alta, y las partículas cargadas de alta energía pueden emitir su energía en un semiconductor de dimensiones relativamente pequeñas.
• El silicio tiene una alta densidad de 2.329 g / cm ³ y, por lo tanto, la pérdida de energía promedio por unidad de longitud permite construir detectores delgados (por ejemplo, 300 µm) que aún producen señales medibles. Por ejemplo, en caso de mínima partícula ionizante (MIP) la pérdida de energía es de 390 eV / µm. Los detectores de silicio son mecánicamente rígidos y, por lo tanto, no se necesitan estructuras de soporte especiales.
• Los detectores basados ​​en silicio son muy buenos para rastrear partículas cargadas, constituyen una parte sustancial del sistema de detección en el LHC en el CERN.
• Los detectores de silicio se pueden usar en campos magnéticos fuertes.

Desventajas de los detectores de silicio

• Precio . La desventaja es que los detectores de silicio son mucho más caros que las cámaras de nube o las cámaras de cables.
• La degradación . También sufren degradación con el tiempo por la radiación, sin embargo, esto se puede reducir en gran medida gracias al efecto Lázaro.
• Alto FWHM . En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. Además, el germanio tiene una energía promedio menor necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio. Esto también proporciona a este último una mejor resolución en energía.

Detectores de germanio de alta pureza ( detectores de HPGe ) son la mejor solución para precisa gamma y espectroscopia de rayos x . En comparación con los detectores de silicio , el germanio es mucho más eficiente que el silicio para la detección de radiación debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y debido a la menor energía promedio necesaria para crear un par de agujeros de electrones , que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio Debido a su mayor número atómico, Ge tiene un coeficiente de atenuación lineal mucho más lager, lo que conduce a una ruta libre media más corta. Además, los detectores de silicio no pueden ser más gruesos que unos pocos milímetros, mientras que el germanio puede tener un agotamiento,espesor sensible de centímetros y, por lo tanto, se puede utilizar como detector de absorción total para rayos gamma de hasta pocos MeV.

Ventajas y desventajas de los detectores HPGe

Ventajas de los detectores HPGe

• Mayor número atómico. Se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción de rayos gamma.
• El germanio tiene una energía promedio más baja necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio.
• Muy buena resolución energética . El FWHM para detectores de germanio es una función de la energía. Para un fotón de 1.3 MeV, el FWHM es 2.1 keV, que es muy bajo.
• Los cristales grandes . Si bien los detectores a base de silicio no pueden ser más gruesos que unos pocos milímetros, el germanio puede tener un espesor de centímetros agotado y sensible y, por lo tanto, puede usarse como un detector de absorción total para rayos gamma de hasta pocos MeV.

Desventajas de los detectores HPGe

• Enfriamiento . El principal inconveniente de los detectores HPGe es que deben enfriarse a temperaturas de nitrógeno líquido. Debido a que el germanio tiene un intervalo de banda relativamente bajo , estos detectores deben enfriarse para reducir la generación térmica de portadores de carga a un nivel aceptable. De lo contrario, el ruido inducido por la corriente de fuga destruye la resolución energética del detector. Recuerde, la brecha de banda (una distancia entre la valencia y la banda de conducción ) es muy baja para germanio (Egap = 0.67 eV). El enfriamiento a la temperatura del nitrógeno líquido (-195.8 ° C; -320 ° F) reduce las excitaciones térmicas de los electrones de valencia, de modo que solo una interacción de rayos gamma puede dar a un electrón la energía necesaria para cruzar la brecha de banda y alcanzar la banda de conducción.
• Precio . La desventaja es que los detectores de germanio son mucho más caros que las cámaras de ionización o los contadores de centelleo .

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

Detectores de germanio de alta pureza ( detectores de HPGe ) son la mejor solución para precisa gamma y espectroscopia de rayos x . En comparación con los detectores de silicio , el germanio es mucho más eficiente que el silicio para la detección de radiación debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y debido a la menor energía promedio necesaria para crear un par de agujeros de electrones , que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio Debido a su mayor número atómico, Ge tiene un coeficiente de atenuación lineal mucho más lager, lo que conduce a una ruta libre media más corta. Además, los detectores de silicio no pueden ser más gruesos que unos pocos milímetros, mientras que el germanio puede tener un agotamiento,espesor sensible de centímetros y, por lo tanto, se puede utilizar como detector de absorción total para rayos gamma de hasta pocos MeV.

Dado que los detectores HPGe producen la resolución más alta disponible en la actualidad, se utilizan para medir la radiación en una variedad de aplicaciones, incluido el monitoreo del personal y el medio ambiente para detectar contaminación radiactiva, aplicaciones médicas, ensayos radiométricos, seguridad nuclear y seguridad de plantas nucleares.

Aplicación de detectores HPGe – Espectroscopía gamma

Como se escribió, el estudio y análisis de los espectros de rayos gamma para uso científico y técnico se llama espectroscopía gamma, y ​​los espectrómetros de rayos gamma son los instrumentos que observan y recopilan dichos datos. Un espectrómetro de rayos gamma (GRS) es un dispositivo sofisticado para medir la distribución de energía de la radiación gamma. Para la medición de rayos gamma por encima de varios cientos de keV, hay dos categorías de detectores de gran importancia,  centelleadores inorgánicos como NaI (Tl)  y  detectores de semiconductores.. En los artículos anteriores, describimos la espectroscopía gamma utilizando un detector de centelleo, que consiste en un cristal centelleador adecuado, un tubo fotomultiplicador y un circuito para medir la altura de los pulsos producidos por el fotomultiplicador. Las ventajas de un contador de centelleo son su eficiencia (gran tamaño y alta densidad) y las altas tasas de precisión y conteo que son posibles. Debido al alto número atómico de yodo, una gran cantidad de todas las interacciones dará como resultado la absorción completa de la energía de los rayos gamma, por lo que la fracción de la foto será alta.

Pero si  se requiere una  resolución energética perfecta , tenemos que usar  un detector a base de germanio , como el  detector HPGe . Los detectores de semiconductores basados ​​en germanio se usan con mayor frecuencia cuando se requiere una muy buena resolución energética, especialmente para  la espectroscopía gamma , así como  la espectroscopía de rayos X. En la espectroscopía gamma, se prefiere el germanio debido a que su número atómico es mucho más alto que el silicio y que aumenta la probabilidad de interacción con los rayos gamma. Además, el germanio tiene una energía media más baja necesaria para crear un par de electrones, que es 3.6 eV para silicio y 2.9 eV para germanio. Esto también proporciona a este último una mejor resolución en energía. El FWHM (ancho completo a la mitad como máximo) para detectores de germanio es una función de la energía. Para un fotón de 1.3 MeV, el FWHM es 2.1 keV, que es muy bajo.

Los detectores de neutrones autoalimentados ( SPND ) son detectores de neutrones, que se utilizan ampliamente en reactores para monitorear el flujo de neutrones debido a su adaptabilidad para entornos severos en el núcleo. Los SPND pueden ser parte del sistema de monitoreo de flujo de neutrones incore, que proporciona información detallada sobre la distribución del flujo de neutrones y, por lo tanto, los márgenes de estos límites de potencia máxima. Estos detectores utilizan el proceso básico de desintegración radiactiva de su material de activación de neutrones para producir una señal de salida. Como su nombre lo indica, los   SPND no requieren una fuente de voltaje externa para crear un potencial de voltaje en el detector. En cambio, se produce una corriente en el detector como resultado de la activación de neutronesy posterior desintegración beta del detector en sí. Debido a la emisión de estas partículas beta (electrones), el cable se carga cada vez más positivamente. El potencial positivo del cable hace que una corriente fluya en la resistencia, R. La corriente de electrones de la desintegración beta se puede medir directamente con un amperímetro.

Hay dos ventajas principales del detector de neutrones autoalimentado:

• Se requiere muy poca instrumentación, generalmente solo un milivoltímetro o un amperímetro
• El material emisor tiene una vida útil mucho mayor que el revestimiento de boro o uranio 235 utilizado en las cámaras de fisión.

Por otro lado, también hay desventajas, una está asociada con el hecho de que las corrientes incluso a plena potencia son muy bajas. Por lo tanto, los SPND no pueden proporcionar información sobre la distribución de flujo en operación de baja potencia (10% y menos). La principal desventaja del detector de neutrones autoalimentado es que el material del emisor se descompone con una vida media característica, que determina el tiempo de respuesta del detector. Dependiendo del tiempo de respuesta, estos detectores se clasifican en términos generales como:

• Detectores de respuesta rápida . Los detectores de respuesta rápida como Cobalt e Inconel se utilizan en aplicaciones de protección y regulación de reactores.
• Detectores de respuesta retardada . Los detectores de respuesta retardada como Vanadio y Rodio se están utilizando ampliamente para el Sistema de Mapeo de Flujo (FMS).

El SPND típico es un cable coaxial que consiste en:

• Emisor . Un electrodo interno, que está hecho de un material que absorbe un neutrón y sufre desintegración radiactiva al emitir un electrón (desintegración beta). El emisor generalmente está hecho de rodio y se usa para producir electrones.
• Aislamiento. El emisor está rodeado de aislamiento, que generalmente está hecho de óxido de aluminio.
• Coleccionista . Las paredes metálicas del detector encierran estas partes y sirven como colector para el. electrones que se producen.- El colector está conectado al potencial de tierra,

Los detectores de neutrones autoalimentados generalmente se colocan en el tubo de instrumentación de un conjunto de combustible, pueden monitorear toda la longitud de los conjuntos de combustible seleccionados para proporcionar un mapa tridimensional extremadamente preciso de la distribución del flujo de neutrones . Usando estos datos, la reconstrucción del flujo de neutrones se puede realizar también en el resto del núcleo del reactor.

Los materiales típicos utilizados para el emisor son cobalto, cadmio, rodio y vanadio. Estos materiales deben usarse porque poseen temperaturas de fusión relativamente altas, secciones transversales relativamente altas de neutrones térmicos y son compatibles con el proceso de fabricación de SPND.

Referencia especial: William H. Todt, Sr. CARACTERÍSTICAS DE LOS DETECTORES DE NEUTRÓN AUTOMÁTICOS UTILIZADOS EN REACTORES DE ENERGÍA. Corporación de Tecnología de Imagen y Detección. Nueva York.

Emisor de rodio – SPND a base de rodio

Uno de los posibles materiales es el rodio como emisor. Un SPND con un emisor de rodio tiene una sensibilidad relativamente alta , una alta tasa de combustión , perturba la densidad de potencia local y tiene una señal retardada ( doble ) . El detector basado en rodio es el tipo de detector autoalimentado de corriente beta, que utiliza la siguiente reacción de activación para producir una corriente que se puede medir.

¹ n + ¹⁰³ Rh → ¹⁰⁴ Rh → ¹⁰⁴ Pd + β

Como se puede ver, un neutrón capturado por el rodio 103 hace que un átomo de rodio 103 se convierta en un átomo radiactivo de rodio 104 . El rodio 104 se descompone en paladio 104 más una partícula beta ( electrón ). La partícula beta tiene suficiente energía para pasar a través del aislante y llegar al colector. La vida media del rodio activado 104 es de 42,3 segundos, lo que retrasa la emisión de la partícula cargada. El detector a base de rodio utiliza esta producción de partículas beta (electrones) para crear una corriente que es proporcional al número de neutrones capturados por el emisor, que también es proporcional a la densidad de potencia del reactor local. Una parte del flujo de corriente del detector se debe a los rayos gamma. Para compensar esta señal errónea, se realiza una corrección de fondo a través del detector de fondo, que consta de los mismos componentes que el detector, excepto que se elimina el rodio.

El rodio 103 tiene una sección transversal de captura de 133 graneros para neutrones térmicos y una resonancia a 1,25 eV. Esta reacción conduce a la producción de ¹⁰⁴ Rh con T _1/2 = 42 segundos, que es beta radiactivo. Cabe señalar que alrededor de 11 graneros pertenecen a la reacción en la que se produce un isómero ^104m Rh (con T _1/2 = 4.4 min).

Las siguientes características son típicas cuando se utilizan en reactores de potencia térmica (p. Ej., PWR).

• La tasa de quemado de rodio es 0.39% por mes en un flujo de neutrones térmicos de 10 ¹³ n / cm ² / seg.
• El 92% de la señal tiene una vida media de 42 segundos.
• El 8% de la señal tiene una vida media de 4,4 minutos.
• La emisión beta tiene una energía de 2,44 MeV.

Emisor de vanadio – SPND a base de vanadio

Un SPND con un emisor de vanadio tiene una sensibilidad relativamente baja, una baja tasa de quemado, con una perturbación mínima de la densidad de potencia local y tiene una señal retardada muy larga. El detector a base de vanadio es el tipo de detector autoalimentado de corriente beta, que utiliza la siguiente reacción de activación para producir una corriente que se puede medir.

¹ n + ⁵¹ V → ⁵² V → ⁵² Cr + β

El vanadio-51 tiene una sección transversal de captura de 4.9 graneros para neutrones térmicos sin resonancias. Esta reacción conduce a la producción de ⁵² V con T _1/2 = 3.74 min, que es beta radiactivo .

Las siguientes características son típicas cuando se utilizan en reactores de potencia térmica (p. Ej., PWR).

• La tasa de quemado de vanadio es 0.012% por mes en un flujo de neutrones térmicos de 10 ¹³ n / cm ² / seg.
• El 99% de la señal tiene una vida media de 3,8 minutos.
• El 1% de la señal es puntual.
• La emisión beta posterior tiene una energía de 2.6 MeV.

El sistema de instrumentación nuclear incore mide la distribución del flujo de neutrones y las temperaturas en el núcleo del reactor. Los propósitos del sistema de instrumentación incore son proporcionar información detallada sobre la distribución del flujo de neutrones y las temperaturas de salida del conjunto de combustible en ubicaciones centrales seleccionadas. El sistema de instrumentación incore proporciona adquisición de datos y, por lo general, no realiza funciones de protección ni de control operativo de la planta.

El sistema de instrumentación incore incluye:

• Sistema de monitoreo de flujo de neutrones Incore
• Sistema de monitoreo de temperatura Incore

Westinghouse Technology Systems Manual, Sección 9.2. Sistema de instrumentación Incore. <disponible en: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11223A264.pdf>.

Sistema de monitoreo de temperatura Incore

El sistema de monitoreo de temperatura incore consiste en termopares incore, que se colocan en ubicaciones preseleccionadas para medir la temperatura de salida del refrigerante del conjunto de combustible para su uso en el monitoreo de la distribución de energía radial central y la distribución de la entalpía del refrigerante . Cabe señalar que las temperaturas de salida del refrigerante están más o menos influenciadas por la mezcla de flujo lateral y, para algunos diseños de reactores, este sistema tiene otro propósito, como el monitoreo de las funciones de seguridad. Estos datos (temperaturas de salida de refrigerante) pueden (dependiendo del diseño del reactor) usarse para:

1. Proporcionar a los operadores indicaciones de condiciones inadecuadas de enfriamiento del núcleo durante situaciones de emergencia (por ejemplo, sobretemperatura del núcleo )
2. Proporcione información sobre el aumento de temperatura en el conjunto de combustible. Esto puede indicar una condición central grave (por ejemplo , bloqueo del canal ) y debe investigarse.
3. Proporcionar entradas a los monitores de margen de subenfriamiento
4. Proporcione entradas para aplicaciones computacionales de computadora de la planta que usen temperaturas de salida del núcleo para determinar los aumentos de entalpía del ensamblaje de combustible y la información de distribución de energía limitada.

Westinghouse Technology Systems Manual, Sección 9.2. Sistema de instrumentación Incore. <disponible en: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11223A264.pdf>.

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: translations@nuclear-power.com o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias.

El sistema de monitoreo de neutrones incore consta de detectores incore con sensibilidad suficiente para permitir la medición de las variaciones localizadas de distribución de flujo de neutrones dentro del núcleo del reactor . Cabe señalar que, en los núcleos de los reactores de potencia, la distribución del flujo, y también la distribución de potencia está influenciada significativamente por muchos factores. Por lo tanto, la temperatura en un reactor en funcionamiento varía de un punto a otro dentro del sistema. Como consecuencia, siempre hay una barra de combustible y un volumen local , que están más calientes que el resto. Con el fin de limitar estos lugares calientes los límites de potencia de pico deben ser introducidos. Los límites de potencia máxima están asociados con unCrisis de ebullición y con las condiciones que pueden causar el derretimiento de pellets de combustible. El sistema de monitoreo de flujo de neutrones incore proporciona información detallada sobre la distribución del flujo de neutrones y, por lo tanto, los márgenes de estos límites de potencia máxima .

El sistema de monitoreo de flujo de neutrones incore generalmente utiliza:

• cámaras de fisión en miniatura
• detectores de neutrones autoalimentados

Estos detectores de flujo móviles, que generalmente se colocan en el tubo de instrumentación de un conjunto de combustible , pueden monitorear toda la longitud de los conjuntos de combustible seleccionados para proporcionar un mapa tridimensional extremadamente preciso de la distribución de flujo de neutrones . Usando estos datos, la reconstrucción del flujo de neutrones se puede realizar también en el resto del núcleo del reactor. Los datos obtenidos del sistema de monitoreo de flujo de neutrones incore generalmente se utilizan (dependiendo del diseño del reactor) para:

1. Estos datos se pueden usar para determinar la distribución de energía en el núcleo en cualquier momento durante el ciclo de combustible. La distribución de energía monitoreada se utiliza para verificar que los siguientes factores del canal activo de distribución de energía cumplan con los límites de las especificaciones técnicas:
   1. El factor de canal caliente del flujo de calor – F _Q (z) , que se define como: La relación de la densidad de potencia lineal local máxima, donde hay un margen mínimo para limitar la temperatura del combustible (durante AOO), a la densidad de potencia lineal local promedio en el núcleo
   2. El factor de canal caliente de aumento de la entalpía nuclear – F _NΔH , que se define como: La relación de la integral de la potencia lineal a lo largo de la barra de combustible en la que se produce una desviación mínima de la relación de ebullición nucleada (durante AOO), a la potencia promedio de la barra de combustible en el núcleo.
2. Estos datos se pueden usar para determinar el consumo de combustible y los inventarios de combustible isotópico en el núcleo en cualquier momento durante el ciclo del combustible.
3. Estos datos se pueden usar para calibrar los instrumentos nucleares de rango de potencia excore para la diferencia de flujo axial (AFD)
4. Estos datos se pueden usar para verificar que la relación de inclinación de potencia del cuadrante (QPTR) cumpla con el límite de especificación técnica.
5. Los datos también proporcionarán tendencias de las condiciones centrales para que se puedan tomar medidas correctivas antes de que una condición se vuelva excesiva.

Ver también: Distribución de energía en PWR

Ver también: Método nodal en difusión de neutrones

Detector de neutrones autoalimentado

Los detectores de neutrones autoalimentados ( SPND ) son detectores de neutrones, que se utilizan ampliamente en reactores para monitorear el flujo de neutrones debido a su adaptabilidad para entornos severos en el núcleo. Los SPND pueden ser parte del sistema de monitoreo de flujo de neutrones incore, que proporciona información detallada sobre la distribución del flujo de neutrones y, por lo tanto, los márgenes de estos límites de potencia máxima. Estos detectores utilizan el proceso básico de desintegración radiactiva de su material de activación de neutrones para producir una señal de salida. Como su nombre lo indica, los   SPND no requieren una fuente de voltaje externa para crear un potencial de voltaje en el detector. En cambio, se produce una corriente en el detector como resultado de la activación de neutronesy posterior desintegración beta del detector en sí. Debido a la emisión de estas partículas beta (electrones), el cable se carga cada vez más positivamente. El potencial positivo del cable hace que una corriente fluya en la resistencia, R. La corriente de electrones de la desintegración beta se puede medir directamente con un amperímetro.

Hay dos ventajas principales del detector de neutrones autoalimentado:

• Se requiere muy poca instrumentación, generalmente solo un milivoltímetro o un amperímetro
• El material emisor tiene una vida útil mucho mayor que el revestimiento de boro o uranio 235 utilizado en las cámaras de fisión.

Por otro lado, también hay desventajas, una está asociada con el hecho de que las corrientes incluso a plena potencia son muy bajas. Por lo tanto, los SPND no pueden proporcionar información sobre la distribución de flujo en operaciones de baja potencia (10% o menos). La principal desventaja del detector de neutrones autoalimentado es que el material emisor se descompone con una vida media característica, que determina el tiempo de respuesta del detector. Dependiendo del tiempo de respuesta, estos detectores se clasifican en términos generales como:

• Detectores de respuesta rápida . Los detectores de respuesta rápida como Cobalt e Inconel se utilizan en aplicaciones de protección y regulación de reactores.
• Detectores de respuesta retardada . Los detectores de respuesta retardada como el vanadio y el rodio se están utilizando ampliamente para el Sistema de Mapeo de Flujo (FMS).

El SPND típico es un cable coaxial que consiste en:

• Emisor . Un electrodo interno, que está hecho de un material que absorbe un neutrón y sufre desintegración radiactiva al emitir un electrón (desintegración beta). El emisor generalmente está hecho de rodio y se usa para producir electrones.
• Aislamiento. El emisor está rodeado de aislamiento, que generalmente está hecho de óxido de aluminio.
• Coleccionista . Las paredes metálicas del detector encierran estas partes y sirven como colector para el. electrones que se producen.- El colector está conectado al potencial de tierra,

Los detectores de neutrones autoalimentados generalmente se colocan en el tubo de instrumentación de un conjunto de combustible, pueden monitorear toda la longitud de los conjuntos de combustible seleccionados para proporcionar un mapa tridimensional extremadamente preciso de la distribución del flujo de neutrones . Usando estos datos, la reconstrucción del flujo de neutrones se puede realizar también en el resto del núcleo del reactor.

Los materiales típicos utilizados para el emisor son cobalto, cadmio, rodio y vanadio. Estos materiales deben usarse porque poseen temperaturas de fusión relativamente altas, secciones transversales relativamente altas de neutrones térmicos y son compatibles con el proceso de fabricación de SPND.

Referencia especial: William H. Todt, Sr. CARACTERÍSTICAS DE LOS DETECTORES DE NEUTRÓN AUTOMÁTICOS UTILIZADOS EN REACTORES DE POTENCIA. Corporación de Tecnología de Imagen y Detección. Nueva York.

Emisor de rodio – SPND a base de rodio

Uno de los posibles materiales es el rodio como emisor. Un SPND con un emisor de rodio tiene una sensibilidad relativamente alta , una alta tasa de combustión , perturba la densidad de potencia local y tiene una señal retardada ( doble ) . El detector basado en rodio es el tipo de detector autoalimentado de corriente beta, que utiliza la siguiente reacción de activación para producir una corriente que se puede medir.

¹ n + ¹⁰³ Rh → ¹⁰⁴ Rh → ¹⁰⁴ Pd + β

Como se puede ver, un neutrón capturado por el rodio 103 hace que un átomo de rodio 103 se convierta en un átomo radiactivo de rodio 104 . El rodio 104 se descompone en paladio 104 más una partícula beta ( electrón ). La partícula beta tiene suficiente energía para pasar a través del aislante y llegar al colector. La vida media del rodio activado 104 es de 42,3 segundos, lo que retrasa la emisión de la partícula cargada. El detector a base de rodio utiliza esta producción de partículas beta (electrones) para crear una corriente que es proporcional al número de neutrones capturados por el emisor, que también es proporcional a la densidad de potencia del reactor local. Una parte del flujo de corriente del detector se debe a los rayos gamma. Para compensar esta señal errónea, se realiza una corrección de fondo a través del detector de fondo, que consta de los mismos componentes que el detector, excepto que se elimina el rodio.

El rodio 103 tiene una sección transversal de captura de 133 graneros para neutrones térmicos y una resonancia a 1,25 eV. Esta reacción conduce a la producción de ¹⁰⁴ Rh con T _1/2 = 42 segundos, que es beta radiactivo. Cabe señalar que alrededor de 11 graneros pertenecen a la reacción en la que se produce un isómero ^104m Rh (con T _1/2 = 4.4 min).

Las siguientes características son típicas cuando se utilizan en reactores de potencia térmica (p. Ej., PWR).

• La tasa de quemado de rodio es 0.39% por mes en un flujo de neutrones térmicos de 10 ¹³ n / cm ² / seg.
• El 92% de la señal tiene una vida media de 42 segundos.
• El 8% de la señal tiene una vida media de 4,4 minutos.
• La emisión beta tiene una energía de 2,44 MeV.

Emisor de vanadio – SPND a base de vanadio

Un SPND con un emisor de vanadio tiene una sensibilidad relativamente baja, una baja tasa de quemado, con una perturbación mínima de la densidad de potencia local y tiene una señal retardada muy larga. El detector a base de vanadio es el tipo de detector autoalimentado de corriente beta, que utiliza la siguiente reacción de activación para producir una corriente que se puede medir.

¹ n + ⁵¹ V → ⁵² V → ⁵² Cr + β

El vanadio-51 tiene una sección transversal de captura de 4.9 graneros para neutrones térmicos sin resonancias. Esta reacción conduce a la producción de ⁵² V con T _1/2 = 3.74 min, que es beta radiactivo .

Las siguientes características son típicas cuando se utilizan en reactores de potencia térmica (p. Ej., PWR).

• La tasa de quemado de vanadio es 0.012% por mes en un flujo de neutrones térmicos de 10 ¹³ n / cm ² / seg.
• El 99% de la señal tiene una vida media de 3,8 minutos.
• El 1% de la señal es puntual.
• La emisión beta posterior tiene una energía de 2.6 MeV.

Los detectores de rango de potencia son un sistema de instrumentación nuclear clave para la operación de potencia. Monitorean el flujo de neutrones (potencia del reactor) desde cero hasta aproximadamente el 120% de la potencia nominal completa junto con la indicación de la distribución axial y radial de esa potencia. También proporcionan indicaciones, alarmas y señales de disparo del reactor. A medida que el nivel de flujo de neutrones aumenta en el rango de potencia, la compensación gamma no es una preocupación importante porque los rayos gamma no contribuyen mucho a la ionización total (aproximadamente 0.1% al 100% de potencia). Por lo tanto, la instrumentación del rango de potencia generalmente consta de cuatro cámaras de ionización no compensadas , cada una con su propio detector separado, tendido de cables y circuitos electrónicos. La cámara de ionización , también conocida como la cámara de iones, es un dispositivo eléctrico que detecta varios tipos de radiación ionizante . El voltaje del detector se ajusta de modo que las condiciones correspondan a la región de ionización . El voltaje no es lo suficientemente alto como para producir amplificación de gas (ionización secundaria). Las cámaras de ionización se prefieren para altas tasas de dosis de radiación porque no tienen » tiempo muerto «», Un fenómeno que afecta la precisión del tubo Geiger-Mueller a altas dosis. El detector consta de una única cámara cilíndrica cuyo funcionamiento es idéntico al de la cámara revestida de boro de la cámara de iones compensados. Esta cámara no compensada es sensible tanto a los rayos gamma como a los neutrones. Sin embargo, en el rango de potencia de operación, el nivel de flujo de neutrones es muchas veces mayor que el flujo gamma y, por lo tanto, no se requiere compensación gamma.

Los cuatro canales son física y funcionalmente idénticos. Cada canal de rango de potencia emplea un detector de cámara de iones no compensado superior e inferior (detector en tándem) que permite medir la diferencia de flujo axial . Cada canal también monitorea un «cuadrante» del núcleo. Un detector superior y un detector inferior están montados dentro del mismo instrumento. Las salidas de ambos detectores (superior e inferior) se combinan para producir una señal de potencia total del canal. Las ocho salidas del detector (cuatro detectores superiores y cuatro detectores inferiores) se comparan entre sí para proporcionar información de distribución de energía (AFD y QPTR ) al operador del reactor.

La diferencia de flujo axial se define como la diferencia en las señales de flujo normalizado (AFD) entre las mitades superior e inferior de un detector de neutrones excore de dos secciones, disminuirá.

AFD se define como:

AFD o ΔI = I _arriba – I _abajo

donde _arriba y _abajo se expresan como una fracción de la potencia térmica nominal.

QPTR se define como:

La relación de la salida calibrada máxima del detector excore superior al promedio de las salidas calibradas del detector excore superior, o la relación de la salida calibrada máxima del detector excore inferior al promedio de las salidas calibradas del detector excore inferior, lo que sea mayor.

La instrumentación del rango de potencia monitorea e indica el nivel de flujo de neutrones del núcleo del reactor y la velocidad a la que cambia el flujo de neutrones durante una operación de potencia y una operación de seguimiento de carga estándar. El flujo de neutrones se indica como porcentaje de la potencia nominal. La tasa de cambio de la población de neutrones se indica como tasa de inicio (SUR), que se define como el número de factores de diez que la potencia cambia en un minuto. Por lo tanto, las unidades de SUR son potencias de diez por minuto o décadas por minuto ( dpm ).

Aunque el sistema de instrumentación nuclear proporciona una respuesta rápida a los cambios en el flujo de neutrones y es un sistema insustituible, debe calibrarse . Los canales de rango de potencia se calibran para indicar el porcentaje de potencia térmica nominal mediante un balance de calor secundario (calorimétrico). La potencia térmica precisa del reactor solo se puede medir mediante métodos basados ​​en el balance de energía del circuito primario o el balance de energía del circuito secundario.

Referencia especial: Plan de revisión estándar para la revisión de informes de análisis de seguridad para centrales nucleares: edición LWR. NUREG-0800, NRC de EE. UU.

Flujo de neutrones y quema de combustible

En un reactor de potencia durante un período de tiempo relativamente corto (días o semanas), la densidad del número atómico de los átomos de combustible permanece relativamente constante. Por lo tanto, en este corto período, también el flujo de neutrones promedio permanece constante , cuando el reactor funciona a un nivel de potencia constante. Por otro lado, las densidades de número atómico de los isótopos fisionables durante un período de meses disminuyen debido al consumo de combustible y, por lo tanto, también disminuyen las secciones transversales macroscópicas . Este resultado es un aumento lento en el flujo de neutrones para mantener el nivel de potencia deseado. Por lo tanto, el sistema de instrumentación nuclear excore debe calibrarse periódicamente.

Rango de potencia: seguridad del reactor

Como se escribió, el sistema de instrumentación nuclear excore se considera un sistema relacionado con la seguridad, ya que proporciona entradas al sistema de protección del reactor . El disparo de flujo de neutrones del rango de potencia proporciona la protección del núcleo para muchos accidentes de excursión de potencia en el MODO 1 (operación de potencia). Los ejemplos de señales de acción protectora proporcionadas por el rango de potencia incluyen:

• El rango de potencia Flujo de neutrones (bajo – punto de ajuste). Se producirá un disparo en el reactor si el nivel de potencia excede el valor preestablecido (por ejemplo, 25%) en dos de los cuatro canales, y el disparo no se bloquea.
• El flujo de neutrones del rango de potencia (punto de ajuste alto). Se producirá un disparo en el reactor si el nivel de potencia excede el valor preestablecido (por ejemplo, 109%) en dos de los cuatro canales para proteger el núcleo de una condición de sobrepotencia y para protegerlo de una excursión de reactividad positiva que conduce a DNB durante las operaciones de potencia. Este viaje no puede ser bloqueado.
• Tarifa de viajes . Si la tasa de cambio de potencia del reactor excede un valor preestablecido en la dirección positiva o negativa, se producirá un disparo del reactor.
  • El disparo de frecuencia positiva alta asegura que se proporciona protección contra aumentos rápidos en el flujo de neutrones que son característicos de una ruptura de la carcasa de la varilla de transmisión RCCA y la expulsión del RCCA.
  • El viaje de alta tasa negativa asegura que se proporcione protección para múltiples accidentes de caída de varilla. A altos niveles de potencia, un accidente de caída de varillas múltiples podría causar un pico de flujo local que resultaría en un DNBR local no conservador.