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.
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