Dosimétrie des rayonnements

Un  semi – conducteur dopé est un semi-conducteur qui a été intentionnellement dopé dans le but de moduler ses propriétés électriques, optiques et structurelles. Dans le cas des détecteurs semi-conducteurs de rayonnement ionisant, le dopage est l’introduction intentionnelle d’impuretés dans un semi-conducteur intrinsèque dans le but de modifier leurs propriétés électriques. Par conséquent, les semi-conducteurs intrinsèques sont également appelés semi-conducteurs purs ou semi-conducteurs de type i.

L’ajout d’un petit pourcentage d’atomes étrangers dans le réseau cristallin régulier de silicium ou de germanium produit des changements spectaculaires dans leurs propriétés électriques, car ces atomes étrangers incorporés dans la structure cristalline du semi-conducteur fournissent des porteurs de charge gratuits (électrons ou trous d’électrons) dans le semi-conducteur. Dans un semi-conducteur extrinsèque, ce sont ces atomes de dopant étrangers dans le réseau cristallin qui fournissent principalement les porteurs de charge qui transportent le courant électrique à travers le cristal. En général, il existe deux types d’ atomes de dopant résultant en deux types de semi-conducteurs extrinsèques. Ces dopants qui produisent les changements contrôlés souhaités sont classés comme accepteurs d’électrons oules donneurs et les semi-conducteurs dopés correspondants sont appelés:

• Semi-conducteurs de type n.
• Semi-conducteurs de type p.

Les semi – conducteurs extrinsèques sont des composants de nombreux appareils électriques courants, ainsi que de nombreux détecteurs de rayonnement ionisant. À ces fins, une diode à semi-conducteur (dispositifs qui ne permettent le courant que dans une seule direction) est généralement constituée de semi-conducteurs de type p et de type n placés en jonction l’un avec l’autre.

Donateur d’électrons – Groupe V Dopant

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes donneurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type n, car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des électrons négatifs. Le silicium étant un élément tétravalent, la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe V (pentavalent) ont cinq électrons de valence, ce qui leur permet d’agir comme donneur. Cela signifie que l’ajout de ces impuretés pentavalentes telles que l’arsenic, l’antimoine ou le phosphore contribue aux électrons libres, augmentant considérablement la conductivité du semi-conducteur intrinsèque. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) donne un semi-conducteur de type n.

Les électrons de conduction sont complètement dominés par le nombre d’ électrons donneurs . Donc:

Le nombre total d’électrons de conduction est approximativement égale au nombre de sites donneurs, n≈N _D .

La neutralité de charge du matériau semi-conducteur est maintenue car les sites donneurs excités équilibrent les électrons de conduction. Le résultat net est que le nombre d’électrons de conduction est augmenté, tandis que le nombre de trous est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les électrons sont des porteurs majoritaires, tandis que les trous sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type n.

Accepteur d’électrons – dopant du groupe III

Un semi-conducteur extrinsèque qui a été dopé avec des atomes accepteurs d’électrons est appelé semi-conducteur de type p , car la majorité des porteurs de charge dans le cristal sont des trous d’électrons (porteurs de charge positifs). Le silicium semi-conducteur pur est un élément tétravalent , la structure cristalline normale contient 4 liaisons covalentes de quatre électrons de valence. Dans le silicium, les dopants les plus courants sont les éléments du groupe III et du groupe V. Les éléments du groupe III (trivalents) contiennent tous trois électrons de valence, ce qui les fait fonctionner comme des accepteurs lorsqu’ils sont utilisés pour doper le silicium. Lorsqu’un atome accepteur remplace un atome de silicium tétravalent dans le cristal, un état vacant (un trou d’électrons) est créé. Un trou d’électrons (souvent simplement appelé trou) est le manque d’électrons à une position où l’on pourrait exister dans un atome ou un réseau atomique. C’est l’un des deux types de porteurs de charge qui sont responsables de la création de courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. Ces trous chargés positivement peuvent se déplacer d’atome en atome dans les matériaux semi-conducteurs lorsque les électrons quittent leur position. L’ajout d’impuretés trivalentes telles que le bore , l’ aluminium ou le galliumà un semi-conducteur intrinsèque crée ces trous d’électrons positifs dans la structure. Par exemple, un cristal de silicium dopé au bore (groupe III) crée un semi-conducteur de type p tandis qu’un cristal dopé au phosphore (groupe V) produit un semi-conducteur de type n.

Le nombre de trous d’électrons est entièrement dominé par le nombre de sites accepteurs. Par conséquent:

Le nombre total de trous est approximativement égale au nombre de sites donneurs, p ≈ N _A .

La neutralité de charge de ce matériau semi-conducteur est également maintenue. Le résultat net est que le nombre de trous d’électrons augmente, tandis que le nombre d’électrons de conduction est réduit. Le déséquilibre de la concentration de porteurs dans les bandes respectives est exprimé par le nombre absolu différent d’électrons et de trous. Les trous d’électrons sont des porteurs majoritaires , tandis que les électrons sont des porteurs minoritaires dans un matériau de type p.

Un  détecteur à semi-conducteur  est un détecteur de rayonnement qui est basé sur un semi –  conducteur , tel que le  silicium  ou le  germanium  pour mesurer l’effet des particules chargées ou des photons chargés. Les détecteurs à semi-conducteurs  sont largement utilisés dans la  radioprotection , le dosage des matériaux radioactifs et la recherche en physique car ils ont des caractéristiques uniques, peuvent être fabriqués à peu de frais mais avec une bonne efficacité, et peuvent mesurer à la fois l’intensité et l’énergie du rayonnement incident. Ces détecteurs sont utilisés pour mesurer l’énergie du rayonnement et pour l’identification des particules. Parmi les matériaux semi-conducteurs disponibles, le  silicium  est principalement utilisé pour détecteurs de particules chargées  (en particulier pour le suivi des particules chargées) et détecteurs de rayons X mous tandis que le  germanium  est largement utilisé pour  la spectroscopie des rayons gamma . Un semi-conducteur grand, propre et presque parfait est idéal comme compteur de  radioactivité . Cependant, il est difficile de fabriquer de gros cristaux avec une pureté suffisante. Les détecteurs à semi-conducteurs ont donc une faible efficacité, mais ils donnent une mesure très précise de l’énergie. Les détecteurs à semi-conducteurs, en particulier les  détecteurs à base de germanium , sont les plus couramment utilisés lorsqu’une très bonne résolution énergétique est requise. Afin d’atteindre une efficacité maximale, les détecteurs doivent fonctionner aux  très basses températures de l’azote liquide (-196 ° C). Par conséquent, l’inconvénient est que les détecteurs à semi-conducteur sont beaucoup plus chers que les autres détecteurs et nécessitent un refroidissement sophistiqué pour réduire les courants de fuite (bruit).

Avantages et inconvénients des détecteurs à semi-conducteurs

Avantages des détecteurs HPGe

• Numéro atomique supérieur. Le germanium est préféré car son numéro atomique est beaucoup plus élevé que le silicium et augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma.
• Le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium.
• Très bonne résolution énergétique . Le FWHM pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.
• Grands cristaux . Alors que les détecteurs à base de silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

Inconvénients des détecteurs HPGe

• Refroidissement . L’inconvénient majeur des détecteurs HPGe est qu’ils doivent être refroidis à des températures d’azote liquide. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible , ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Rappelons que la bande interdite (une distance entre la valence et la bande de conduction ) est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Le refroidissement à la température de l’azote liquide (-195,8 ° C; -320 ° F) réduit les excitations thermiques des électrons de valence de sorte que seule une interaction des rayons gamma peut donner à un électron l’énergie nécessaire pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.
• Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au germanium sont beaucoup plus chers que les chambres d’ionisation ou les compteurs à scintillation .

Avantages des détecteurs de silicium

• Par rapport aux détecteurs à ionisation gazeuse, la densité d’un détecteur à semi-conducteur est très élevée et les particules chargées de haute énergie peuvent dégager leur énergie dans un semi-conducteur de dimensions relativement petites.
• Le silicium a une densité élevée de 2,329 g / cm ³ et, par conséquent, la perte d’énergie moyenne par unité de longueur permet de construire des détecteurs minces (par exemple 300 µm) qui produisent toujours des signaux mesurables. Par exemple, en cas de particules ionisantes minimales (MIP), la perte d’énergie est de 390 eV / µm. Les détecteurs au silicium sont mécaniquement rigides et donc aucune structure de support spéciale n’est nécessaire.
• Les détecteurs à base de silicium sont très bons pour suivre les particules chargées, ils constituent une partie substantielle du système de détection du LHC au CERN.
• Les détecteurs au silicium peuvent être utilisés dans des champs magnétiques puissants.

Inconvénients des détecteurs au silicium

• Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au silicium sont beaucoup plus chers que les chambres à brouillard ou les chambres à fil.
• Dégradation . Ils subissent également une dégradation au fil du temps des rayonnements, mais celle-ci peut être considérablement réduite grâce à l’effet Lazare.
• FWHM élevé . En spectroscopie gamma, le germanium est préféré en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et qui augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma. De plus, le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. Cela donne également à ce dernier une meilleure résolution en énergie.

Les détecteurs au germanium de haute pureté ( détecteurs HPGe ) sont la meilleure solution pour une spectroscopie gamma et aux rayons X précise . Par rapport aux détecteurs au silicium , le germanium est beaucoup plus efficace que le silicium pour la détection des radiations en raison de son numéro atomique beaucoup plus élevé que le silicium et en raison de l’énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou , qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium. En raison de son numéro atomique plus élevé, Ge a un coefficient d’atténuation linéaire beaucoup plus important, ce qui conduit à un libre parcours moyen plus court. De plus, les détecteurs au silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, tandis que le germanium peut avoir unépaisseur sensible de quelques centimètres , et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

Avantages et inconvénients des détecteurs HPGe

Avantages des détecteurs HPGe

• Numéro atomique supérieur. Le germanium est préféré car son numéro atomique est beaucoup plus élevé que le silicium et augmente la probabilité d’interaction des rayons gamma.
• Le germanium a une énergie moyenne inférieure nécessaire pour créer une paire électron-trou, qui est de 3,6 eV pour le silicium et de 2,9 eV pour le germanium.
• Très bonne résolution énergétique . Le FWHM pour les détecteurs au germanium est fonction de l’énergie. Pour un photon de 1,3 MeV, la FWHM est de 2,1 keV, ce qui est très faible.
• Grands cristaux . Alors que les détecteurs à base de silicium ne peuvent pas être plus épais que quelques millimètres, le germanium peut avoir une épaisseur sensible et épuisée de quelques centimètres, et peut donc être utilisé comme détecteur d’absorption totale pour les rayons gamma jusqu’à quelques MeV.

Inconvénients des détecteurs HPGe

• Refroidissement . L’inconvénient majeur des détecteurs HPGe est qu’ils doivent être refroidis à des températures d’azote liquide. Le germanium ayant une bande interdite relativement faible , ces détecteurs doivent être refroidis afin de réduire la génération thermique des porteurs de charge à un niveau acceptable. Sinon, le bruit induit par le courant de fuite détruit la résolution énergétique du détecteur. Rappelons que la bande interdite (une distance entre la valence et la bande de conduction ) est très faible pour le germanium (Egap = 0,67 eV). Le refroidissement à la température de l’azote liquide (-195,8 ° C; -320 ° F) réduit les excitations thermiques des électrons de valence de sorte que seule une interaction des rayons gamma peut donner à un électron l’énergie nécessaire pour traverser la bande interdite et atteindre la bande de conduction.
• Prix . L’inconvénient est que les détecteurs au germanium sont beaucoup plus chers que les chambres d’ionisation ou les compteurs à scintillation .

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Les détecteurs de neutrons auto-alimentés ( SPND ) sont des détecteurs de neutrons, qui sont largement utilisés dans les réacteurs pour surveiller le flux de neutrons en raison de son adaptabilité à l’environnement sévère dans le cœur. Les SPND peuvent faire partie du système de surveillance du flux neutronique incore, qui fournit des informations détaillées sur la distribution du flux neutronique et donc les marges de ces limites de puissance de crête. Ces détecteurs utilisent le processus de désintégration radioactif de base de son matériau d’activation neutronique pour produire un signal de sortie. Comme son nom l’indique, les   SPND ne nécessitent pas de source de tension externe pour créer un potentiel de tension dans le détecteur. Au lieu de cela, un courant est produit dans le détecteur à la suite de l’ activation des neutronset désintégration bêta subséquente du détecteur lui-même. Du fait de l’émission de ces particules bêta (électrons), le fil se charge de plus en plus positivement. Le potentiel positif du fil fait circuler un courant dans la résistance R. Le courant d’électrons issu de la désintégration bêta peut être mesuré directement avec un ampèremètre.

Le détecteur de neutrons auto-alimenté présente deux avantages principaux:

• Très peu d’instruments sont requis, généralement seulement un millivoltmètre ou un ampèremètre
• Le matériau de l’émetteur a une durée de vie beaucoup plus longue que le revêtement au bore ou à l’uranium 235 utilisé dans les chambres à fission.

D’un autre côté, il existe également des inconvénients, l’un étant lié au fait que les courants, même à pleine puissance, sont très faibles. Par conséquent, les SPND ne sont pas en mesure de fournir des informations sur la distribution du flux en fonctionnement à faible puissance (10% et moins). Le principal inconvénient du détecteur de neutrons auto-alimenté est que le matériau de l’émetteur se désintègre avec une demi-vie caractéristique, qui détermine le temps de réponse du détecteur. Selon le temps de réponse, ces détecteurs sont généralement classés comme:

• Détecteurs à réponse rapide . Les détecteurs à réponse rapide comme le Cobalt et l’Inconel sont utilisés dans les applications de protection et de régulation des réacteurs.
• Détecteurs à réponse retardée . Les détecteurs à réponse retardée comme le vanadium et le rhodium sont largement utilisés pour le système de cartographie des flux (FMS).

Le SPND typique est un câble coaxial composé de:

• Emetteur . Une électrode interne, qui est faite d’un matériau qui absorbe un neutron et subit une désintégration radioactive en émettant un électron (désintégration bêta). L’émetteur est généralement en rhodium et est utilisé pour produire des électrons.
• Isolation. L’émetteur est entouré d’isolant, généralement composé d’oxyde d’aluminium.
• Collectionneur . Les parois métalliques du détecteur enveloppent ces pièces et servent de collecteur pour le. les électrons qui sont produits.- Le collecteur est attaché au potentiel de terre,

Les détecteurs de neutrons auto-alimentés sont généralement placés dans le tube d’instrumentation d’un assemblage combustible, ils peuvent surveiller toute la longueur des assemblages combustibles sélectionnés pour fournir une carte tridimensionnelle extrêmement précise de la distribution du flux neutronique . À l’aide de ces données, la reconstruction du flux neutronique peut également être effectuée dans le reste du cœur du réacteur.

Les matériaux typiques utilisés pour l’émetteur sont le cobalt, le cadmium, le rhodium et le vanadium. Ces matériaux doivent être utilisés car ils possèdent des températures de fusion relativement élevées, des sections efficaces relativement élevées aux neutrons thermiques et sont compatibles avec le processus de fabrication du SPND.

Référence spéciale: William H. Todt, Sr. CARACTÉRISTIQUES DES DÉTECTEURS DE NEUTRONS AUTONOMES UTILISÉS DANS LES RÉACTEURS DE PUISSANCE. Imaging and Sensing Technology Corporation. New York.

Émetteur de rhodium – SPND à base de rhodium

L’un des matériaux possibles est le rhodium comme émetteur. Un SPND avec un émetteur de rhodium a une sensibilité relativement élevée , un taux de combustion élevé , perturbe la densité de puissance locale et a un signal retardé ( double ) . Le détecteur à base de rhodium est le type de détecteur auto-alimenté à courant bêta, qui utilise la réaction d’activation suivante pour produire un courant qui peut être mesuré.

¹ n + ¹⁰³ Rh → ¹⁰⁴ Rh → ¹⁰⁴ Pd + β

Comme on peut le voir, un neutron capturé par le rhodium-103 fait qu’un atome de rhodium-103 devient un atome de rhodium-104 radioactif . Le rhodium-104 se désintègre ensuite en palladium-104 plus une particule bêta ( électron ). La particule bêta a suffisamment d’énergie pour traverser l’isolateur et atteindre le collecteur. La demi-vie du rhodium-104 activé est de 42,3 secondes, ce qui retarde l’émission de la particule chargée. Le détecteur à base de rhodium utilise cette production de particules bêta (électrons) pour créer un courant proportionnel au nombre de neutrons capturés par l’émetteur, qui est également proportionnel à la densité de puissance locale du réacteur. Une partie du flux de courant du détecteur est due aux rayons gamma. Afin de compenser ce signal erroné, une correction de fond est effectuée via un détecteur de fond, qui se compose des mêmes composants que le détecteur, sauf que le rhodium est retiré.

Le rhodium-103 a une section efficace de capture de 133 granges pour les neutrons thermiques et une résonance à 1,25 eV. Cette réaction conduit à la production de ¹⁰⁴ Rh avec T _1/2 = 42 sec qui est radioactif bêta. Il faut noter qu’environ 11 granges appartiennent à la réaction dans laquelle un isomère ^104m Rh est produit (avec T _1/2 = 4,4 min).

Les caractéristiques suivantes sont typiques lorsqu’elles sont utilisées dans un réacteur de puissance thermique (par exemple PWR).

• Le taux de combustion du rhodium est de 0,39% par mois dans un flux de neutrons thermiques de 10 ¹³ n / cm ² / sec.
• 92% du signal a une demi-vie de 42 secondes.
• 8% du signal a une demi-vie de 4,4 minutes.
• L’émission bêta a une énergie de 2,44 MeV.

Emetteur de vanadium – SPND à base de vanadium

Un SPND avec un émetteur de vanadium a une sensibilité relativement faible, un faible taux de combustion, avec une perturbation minimale de la densité de puissance locale et a un signal retardé très long. Le détecteur à base de vanadium est le type de détecteur auto-alimenté à courant bêta, qui utilise la réaction d’activation suivante pour produire un courant qui peut être mesuré.

¹ n + ⁵¹ V → ⁵² V → ⁵² Cr + β

Le vanadium-51 a une section efficace de capture de 4,9 barns pour les neutrons thermiques sans résonances. Cette réaction conduit à la production de ⁵² V avec T _1/2 = 3,74 min qui est radioactif bêta .

Les caractéristiques suivantes sont typiques lorsqu’elles sont utilisées dans un réacteur de puissance thermique (par exemple PWR).

• Le taux de combustion du vanadium est de 0,012% par mois dans un flux de neutrons thermiques de 10 ¹³ n / cm ² / sec.
• 99% du signal a une demi-vie de 3,8 minutes.
• 1% du signal est rapide.
• L’émission bêta subséquente a une énergie de 2,6 MeV.

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Le système d’instrumentation nucléaire incore mesure la distribution du flux neutronique et les températures dans le cœur du réacteur. Le système d’instrumentation incore a pour but de fournir des informations détaillées sur la distribution du flux neutronique et les températures de sortie des assemblages combustibles à certains emplacements du cœur. Le système d’instrumentation incore fournit l’acquisition de données et n’effectue généralement aucune fonction de protection ou de contrôle opérationnel de l’usine.

Le système d’instrumentation incore comprend:

• Système de surveillance du flux de neutrons Incore
• Système de surveillance de la température Incore

Manuel des systèmes technologiques de Westinghouse, section 9.2. Système d’Instrumentation Incore. <disponible sur: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11223A264.pdf>.

Système de surveillance de la température Incore

Le système de surveillance de la température des incorces se compose de thermocouples incores, qui sont positionnés à des emplacements présélectionnés pour mesurer la température de sortie du liquide de refroidissement de l’assemblage combustible à utiliser pour surveiller le partage de la puissance radiale du cœur et la distribution de l’ enthalpie du liquide de refroidissement . Il convient de noter que les températures de sortie du liquide de refroidissement sont plus ou moins influencées par le mélange à écoulement latéral et pour certaines conceptions de réacteurs, ce système a un autre objectif tel que la surveillance des fonctions de sécurité. Ces données (températures de sortie du liquide de refroidissement) peuvent être (en fonction de la conception de certains réacteurs) utilisées pour:

1. Fournir aux opérateurs des indications de conditions de refroidissement du cœur inadéquates pendant les situations d’urgence (par exemple surchauffe du cœur )
2. Fournir des informations sur l’augmentation de température dans l’assemblage combustible. Cela peut indiquer une maladie grave (par exemple , un blocage des canaux ) et doit être examiné.
3. Fournir des entrées aux contrôleurs de marge de sous-refroidissement
4. Fournir des entrées aux applications informatiques de l’usine qui utilisent les températures de sortie du cœur pour déterminer les augmentations d’enthalpie des assemblages combustibles et les informations de distribution d’énergie limitées.

Manuel des systèmes technologiques de Westinghouse, section 9.2. Système d’Instrumentation Incore. <disponible sur: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11223A264.pdf>.

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Le système de surveillance des neutrons incore se compose de détecteurs incore ayant une sensibilité suffisante pour permettre la mesure des variations localisées de distribution du flux neutronique dans le cœur du réacteur . Il faut noter que dans les noyaux des réacteurs de puissance, la distribution du flux, et aussi la distribution de la puissance est considérablement influencée par de nombreux facteurs. Par conséquent, la température dans un réacteur en fonctionnement varie d’un point à l’autre du système. En conséquence, il y a toujours un crayon combustible et un volume local , qui sont plus chauds que tous les autres. Afin de limiter ces endroits chauds, les limites de puissance de crête doivent être introduites. Les limites de puissance de crête sont associées à uncrise d’ébullition et avec les conditions qui pourraient provoquer la fonte des pastilles de combustible. Le système de surveillance du flux neutronique incore fournit des informations détaillées sur la distribution du flux neutronique et donc les marges à ces limites de puissance de crête .

Le système de surveillance du flux de neutrons incore utilise généralement:

• chambres de fission miniatures
• détecteurs de neutrons auto-alimentés

Ces détecteurs de flux mobiles, qui sont généralement placés dans le tube d’instrumentation d’un assemblage combustible , peuvent surveiller toute la longueur des assemblages combustibles sélectionnés pour fournir une carte tridimensionnelle extrêmement précise de la distribution du flux neutronique . À l’aide de ces données, la reconstruction du flux neutronique peut également être effectuée dans le reste du cœur du réacteur. Les données obtenues du système de surveillance du flux de neutrons incore sont généralement (en fonction de la conception de certains réacteurs) utilisées pour:

1. Ces données peuvent être utilisées pour déterminer la distribution d’énergie dans le cœur à tout moment pendant le cycle du combustible. La distribution électrique surveillée est utilisée pour vérifier que les facteurs de canaux chauds de distribution électrique suivants sont conformes aux limites des spécifications techniques:
   1. Le facteur de canal chaud du flux de chaleur – F _Q (z) , qui est défini comme: Le rapport de la densité de puissance linéaire locale maximale, où il y a une marge minimale pour limiter la température du carburant (pendant les AOO), à la densité de puissance linéaire locale moyenne dans le noyau.
   2. Le facteur de canal chaud de montée d’enthalpie nucléaire – F _NΔH , qui est défini comme: le rapport de l’intégrale de puissance linéaire le long de la barre de combustible sur laquelle l’écart minimal du rapport d’ébullition nucléé se produit (pendant les AOO), à la puissance moyenne des barres de combustible dans le coeur.
2. Ces données peuvent être utilisées pour déterminer la consommation de carburant et les stocks de carburant isotopique dans le cœur à tout moment pendant le cycle du combustible.
3. Ces données peuvent être utilisées pour étalonner la gamme de puissance excore des instruments nucléaires pour la différence de flux axial (AFD)
4. Ces données peuvent être utilisées pour vérifier que le rapport d’inclinaison de puissance du quadrant (QPTR) respecte la limite des spécifications techniques.
5. Les données fourniront également des tendances des conditions de base afin que des mesures correctives puissent être prises avant qu’une condition ne devienne excessive.

Voir aussi: Distribution d’énergie dans PWR

Voir aussi: Méthode nodale en diffusion de neutrons

Détecteur de neutrons auto-alimenté

Les détecteurs de neutrons auto-alimentés ( SPND ) sont des détecteurs de neutrons, qui sont largement utilisés dans les réacteurs pour surveiller le flux de neutrons en raison de son adaptabilité à un environnement sévère dans le cœur. Les SPND peuvent faire partie du système de surveillance du flux de neutrons incore, qui fournit des informations détaillées sur la distribution du flux de neutrons et donc les marges de ces limites de puissance de crête. Ces détecteurs utilisent le processus de désintégration radioactif de base de son matériau d’activation neutronique pour produire un signal de sortie. Comme son nom l’indique, les   SPND ne nécessitent pas de source de tension externe pour créer un potentiel de tension dans le détecteur. Au lieu de cela, un courant est produit dans le détecteur à la suite de l’ activation des neutronset désintégration bêta subséquente du détecteur lui-même. Du fait de l’émission de ces particules bêta (électrons), le fil se charge de plus en plus positivement. Le potentiel positif du fil fait circuler un courant dans la résistance R. Le courant d’électrons issu de la désintégration bêta peut être mesuré directement avec un ampèremètre.

Le détecteur de neutrons auto-alimenté présente deux avantages principaux:

• Très peu d’instruments sont requis, généralement seulement un millivoltmètre ou un ampèremètre
• Le matériau de l’émetteur a une durée de vie beaucoup plus longue que le revêtement au bore ou à l’uranium 235 utilisé dans les chambres à fission.

D’un autre côté, il existe également des inconvénients, dont l’un est associé au fait que les courants, même à pleine puissance, sont très faibles. Par conséquent, les SPND ne sont pas en mesure de fournir des informations sur la distribution du flux en fonctionnement à faible puissance (10% et moins). Le principal inconvénient du détecteur de neutrons auto-alimenté est que le matériau de l’émetteur se désintègre avec une demi-vie caractéristique, qui détermine le temps de réponse du détecteur. Selon le temps de réponse, ces détecteurs sont généralement classés comme:

• Détecteurs à réponse rapide . Les détecteurs à réponse rapide comme le Cobalt et l’Inconel sont utilisés dans les applications de protection et de régulation des réacteurs.
• Détecteurs à réponse retardée . Les détecteurs à réponse retardée comme le vanadium et le rhodium sont largement utilisés pour le système de cartographie des flux (FMS).

Le SPND typique est un câble coaxial composé de:

• Emetteur . Une électrode intérieure, qui est faite d’un matériau qui absorbe un neutron et subit une désintégration radioactive en émettant un électron (désintégration bêta). L’émetteur est généralement en rhodium et est utilisé pour produire des électrons.
• Isolation. L’émetteur est entouré d’isolant, qui est généralement en oxyde d’aluminium.
• Collectionneur . Les parois métalliques du détecteur enveloppent ces pièces et servent de collecteur pour le. les électrons qui sont produits.- Le collecteur est attaché au potentiel de terre,

Les détecteurs de neutrons auto-alimentés sont généralement placés dans le tube d’instrumentation d’un assemblage combustible, ils peuvent surveiller toute la longueur des assemblages combustibles sélectionnés pour fournir une carte tridimensionnelle extrêmement précise de la distribution du flux neutronique . À l’aide de ces données, la reconstruction du flux neutronique peut également être effectuée dans le reste du cœur du réacteur.

Les matériaux typiques utilisés pour l’émetteur sont le cobalt, le cadmium, le rhodium et le vanadium. Ces matériaux doivent être utilisés car ils possèdent des températures de fusion relativement élevées, des sections efficaces relativement élevées aux neutrons thermiques et sont compatibles avec le processus de fabrication du SPND.

Référence spéciale: William H. Todt, Sr. CARACTÉRISTIQUES DES DÉTECTEURS DE NEUTRONS AUTONOMES UTILISÉS DANS LES RÉACTEURS DE PUISSANCE. Imaging and Sensing Technology Corporation. New York.

Émetteur de rhodium – SPND à base de rhodium

L’un des matériaux possibles est le rhodium comme émetteur. Un SPND avec un émetteur de rhodium a une sensibilité relativement élevée , un taux de combustion élevé , perturbe la densité de puissance locale et a un signal retardé ( double ) . Le détecteur à base de rhodium est le type de détecteur auto-alimenté à courant bêta, qui utilise la réaction d’activation suivante pour produire un courant qui peut être mesuré.

¹ n + ¹⁰³ Rh → ¹⁰⁴ Rh → ¹⁰⁴ Pd + β

Comme on peut le voir, un neutron capturé par le rhodium-103 fait qu’un atome de rhodium-103 devient un atome de rhodium-104 radioactif . Le rhodium-104 se désintègre ensuite en palladium-104 plus une particule bêta ( électron ). La particule bêta a suffisamment d’énergie pour traverser l’isolateur et atteindre le collecteur. La demi-vie du rhodium-104 activé est de 42,3 secondes, ce qui retarde l’émission de la particule chargée. Le détecteur à base de rhodium utilise cette production de particules bêta (électrons) pour créer un courant proportionnel au nombre de neutrons capturés par l’émetteur, qui est également proportionnel à la densité de puissance locale du réacteur. Une partie du flux de courant du détecteur est due aux rayons gamma. Afin de compenser ce signal erroné, une correction de fond est effectuée via un détecteur de fond, qui se compose des mêmes composants que le détecteur, sauf que le rhodium est retiré.

Le rhodium-103 a une section efficace de capture de 133 granges pour les neutrons thermiques et une résonance à 1,25 eV. Cette réaction conduit à la production de ¹⁰⁴ Rh avec T _1/2 = 42 sec qui est radioactif bêta. Il faut noter qu’environ 11 granges appartiennent à la réaction dans laquelle un isomère ^104m Rh est produit (avec T _1/2 = 4,4 min).

Les caractéristiques suivantes sont typiques lorsqu’elles sont utilisées dans un réacteur de puissance thermique (par exemple PWR).

• Le taux de combustion du rhodium est de 0,39% par mois dans un flux de neutrons thermiques de 10 ¹³ n / cm ² / sec.
• 92% du signal a une demi-vie de 42 secondes.
• 8% du signal a une demi-vie de 4,4 minutes.
• L’émission bêta a une énergie de 2,44 MeV.

Emetteur de vanadium – SPND à base de vanadium

Un SPND avec un émetteur de vanadium a une sensibilité relativement faible, un faible taux de combustion, avec une perturbation minimale de la densité de puissance locale et a un signal retardé très long. Le détecteur à base de vanadium est le type de détecteur auto-alimenté à courant bêta, qui utilise la réaction d’activation suivante pour produire un courant qui peut être mesuré.

¹ n + ⁵¹ V → ⁵² V → ⁵² Cr + β

Le vanadium-51 a une section efficace de capture de 4,9 barns pour les neutrons thermiques sans résonances. Cette réaction conduit à la production de ⁵² V avec T _1/2 = 3,74 min qui est radioactif bêta .

Les caractéristiques suivantes sont typiques lorsqu’elles sont utilisées dans un réacteur de puissance thermique (par exemple PWR).

• Le taux de combustion du vanadium est de 0,012% par mois dans un flux de neutrons thermiques de 10 ¹³ n / cm ² / sec.
• 99% du signal a une demi-vie de 3,8 minutes.
• 1% du signal est rapide.
• L’émission bêta subséquente a une énergie de 2,6 MeV.