¿Qué es el contador proporcional de trifluoruro de boro? – BF3 – Definición

Un  contador proporcional , también conocido como  detector proporcional , 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 proporcional . En esta región, el voltaje es lo suficientemente alto como para proporcionar a los electrones primarios suficiente aceleración y energía para que puedan ionizar átomos adicionales del medio. Estos iones secundarios ( amplificación de gas ) formados también se aceleran causando un efecto conocido como  avalanchas de Townsend , que crea un solo pulso eléctrico grande. Los contadores proporcionales gaseosos generalmente operan en campos eléctricos altos del orden de 10 kV / cm y alcanzan los valores típicos factores de amplificación de aproximadamente 10 ⁵ . Dado que el factor de amplificación depende en gran medida del voltaje aplicado, la carga recogida (señal de salida) también depende del voltaje aplicado y los contadores proporcionales requieren un voltaje constante.

Esta es una diferencia sutil pero importante entre las  cámaras de ionización  y los  contadores proporcionales . Una cámara de ionización producirá una corriente que es proporcional al número de electrones recolectados por segundo. Esta corriente se promedia y se usa para conducir una lectura de pantalla en Bq o μSv / h. Los contadores proporcionales  no funcionan de esta manera. En cambio, amplifican cada una de las explosiones individuales de ionización para que cada evento ionizante se detecte por separado. Por lo tanto, miden el número de eventos ionizantes (por eso se les llama contadores). En la instrumentación nuclear, los contadores proporcionales de trifluoruro de boro (BF3) se utilizan ampliamente como detectores de rango de fuente .

 Contador proporcional BF ₃

Como los neutrones son  partículas eléctricamente neutras,  están sujetos principalmente a  fuertes fuerzas nucleares  pero no a fuerzas eléctricas. Por lo tanto, los neutrones no son  directamente ionizantes  y generalmente tienen que  convertirse  en partículas cargadas antes de que puedan detectarse. En general, cada tipo de detector de neutrones debe estar equipado con un convertidor (para convertir la radiación de neutrones en radiación detectable común) y uno de los detectores de radiación convencionales (detector de centelleo, detector gaseoso, detector de semiconductores, etc.).

Las cámaras de ionización se utilizan a menudo como dispositivo de detección de partículas cargadas. Por ejemplo, si la superficie interna de la cámara de ionización está recubierta con una capa delgada de boro, la reacción (n, alfa) puede tener lugar. La mayoría de las reacciones (n, alfa) de neutrones térmicos son reacciones  10B (n, alfa) 7Li  acompañadas de una emisión gamma de 0,48 MeV  .

Además, el isótopo boro-10 tiene una sección transversal de reacción alta (n, alfa) a lo largo de todo  el espectro de energía de neutrones . La partícula alfa causa ionización dentro de la cámara, y los electrones expulsados ​​causan más ionizaciones secundarias.

Otro método para detectar neutrones usando un contador proporcional es usar el trifluoruro de boro gaseoso   (BF ₃ ) en lugar de aire en la cámara. Los neutrones entrantes producen partículas alfa cuando reaccionan con los átomos de boro en el gas detector. Cualquiera de los dos métodos puede usarse para detectar neutrones en un reactor nuclear. Cabe señalar que los  contadores BF ₃ generalmente se operan en la región proporcional.

Detectores de rango de fuente

Los detectores de rango de fuente monitorean el flujo de neutrones (potencia del reactor) en los niveles de apagado más bajos y proporcionan indicaciones, alarmas y disparos del reactor. La instrumentación del rango de fuente generalmente consta de dos o cuatro canales de rango de fuente, cada uno con su propio detector, cable y circuito electrónico. Los detectores utilizados suelen ser contadores proporcionales de trifluoruro de boro (BF ₃ ) de alta sensibilidad . En general, los contadores proporcionales son capaces de identificar partículas y medir la energía (espectroscopía). La altura del pulso refleja la energía depositada por la radiación incidente en el gas detector. Como tal, es posible distinguir los pulsos más grandes producidos por partículas alfa(producido por reacciones (n, alfa)) de los pulsos más pequeños producidos por partículas beta o rayos gamma .

Estos detectores BF ₃ producen una salida de frecuencia de pulso proporcional al flujo térmico de neutrones visto en el detector. Estos canales se usan típicamente en un rango de conteo de 0.1 a 10 ⁶ conteos por segundo , pero varían según el diseño del reactor. Estos detectores de núcleo generalmente están ubicados en pozos de instrumentos en el escudo primario (escudo de concreto) adyacente al recipiente del reactor.

La instrumentación del rango fuente supervisa e indica el nivel de flujo de neutrones del núcleo del reactor y la velocidad a la que cambia el flujo de neutrones durante el apagado del reactor y la fase inicial de arranque . Son muy importantes para monitorear la subcriticidad durante la recarga de combustible, cuando tiene lugar la multiplicación subcrítica . El flujo de neutrones se indica en conteos por segundo (cps). 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 deca des por minuto ( dpm ).

Hay dos problemas principales en la instrumentación del rango de origen:

• Discriminación . Durante la parada del reactor y la fase inicial de arranque, se requiere distinguir el número relativamente pequeño de pulsos producidos por los neutrones del gran número de pulsos producidos por la radiación gamma . Por lo tanto, la discriminación gamma es de particular interés durante el apagado después de que el núcleo del reactor alcanza un nivel significativo de quema de combustible. Esta condición produce un campo gamma alto y un flujo de neutrones bajo alrededor del detector. Los contadores proporcionales permiten la discriminación, pero deben calibrarse. El discriminador excluye el paso de pulsos que son inferiores a un nivel predeterminado. La función del discriminador es excluir el ruido y los pulsos gamma que son de menor magnitud que los pulsos de neutrones (pulsos alfa respectivamente). Muchas centrales eléctricas han encontrado necesario colocar contadores proporcionales de rango de fuente en el blindaje de plomo para reducir la radiación gamma en los detectores. Esto aumenta la sensibilidad del detector del extremo inferior y puede extender la vida útil del detector.
• Tiempo Muerto . Este instrumento puede indicar una tasa de recuento de neutrones máxima de 10 ⁶ cps. Las tasas de conteo más altas están influenciadas por un fenómeno conocido como tiempo muerto. El tiempo muerto es el período durante el cual el detector está ocupado y no puede aceptar ni procesar pulsos. Este fenómeno puede tener serias consecuencias, ya que el tiempo muerto distorsiona los resultados en actividades altas o altas tasas de dosis.

Hay algunas centrales eléctricas que han tomado medidas para mover los detectores del rango de fuente desde sus posiciones operativas a una posición de nivel de flujo de neutrones reducido, una vez que el nivel de flujo aumenta por encima del rango de fuente.

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.