Nick Connor

Um  detector de semicondutores  é um detector de radiação que é baseado em um  semicondutor , como  silício  ou  germânio,  para medir o efeito de partículas ou fótons carregados incidentes. Os detectores de semicondutores  são amplamente utilizados em  proteção contra radiação , ensaio de materiais radioativos e pesquisa em física porque possuem algumas características únicas, podem ser fabricados de maneira barata e com boa eficiência e podem medir a intensidade e a energia da radiação incidente. Esses detectores são empregados para medir a energia da radiação e para identificação de partículas. Dos materiais semicondutores disponíveis, o  silício  é usado principalmente para detectores de partículas carregadas  (especialmente para rastrear partículas carregadas) e detectores de raios-X moles, enquanto o  germânio  é amplamente usado para  espectroscopia de raios gama . Um semicondutor grande, limpo e quase perfeito é ideal como um contador para a  radioatividade . No entanto, é difícil produzir cristais grandes com pureza suficiente. Os detectores de semicondutores têm, portanto, baixa eficiência, mas fornecem uma medida muito precisa da energia. Detectores de semicondutores, especialmente  detectores à base de germânio , são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução de energia muito boa. Para obter a máxima eficiência, os detectores devem operar a  temperaturas muito baixas de nitrogênio líquido (-196 ° C). Portanto, a desvantagem é que os detectores de semicondutores são muito mais caros que outros detectores e requerem um resfriamento sofisticado para reduzir as correntes de fuga (ruído).

Vantagens e desvantagens dos detectores de semicondutores

Vantagens dos detectores HPGe

• Maior número atômico. O germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama.
• O germânio possui uma energia média mais baixa necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio.
• Muito boa resolução de energia . O FWHM para detectores de germânio é uma função da energia. Para um fóton de 1,3 MeV, o FWHM é de 2,1 keV, o que é muito baixo.
• Grandes cristais . Enquanto os detectores à base de silício não podem ser mais grossos do que alguns milímetros, o germânio pode ter uma espessura sensível e esgotada de centímetros e, portanto, pode ser usado como um detector de absorção total para raios gama de até poucos MeV.

Desvantagens dos detectores HPGe

• Arrefecimento . A principal desvantagem dos detectores HPGe é que eles devem ser resfriados a temperaturas de nitrogênio líquido. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo , esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector. Lembre-se, a diferença de banda (uma distância entre a valência e a banda de condução ) é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). O resfriamento até a temperatura do nitrogênio líquido (-195,8 ° C; -320 ° F) reduz as excitações térmicas dos elétrons de valência, de modo que apenas uma interação de raios gama pode fornecer ao elétron a energia necessária para atravessar o intervalo da banda e alcançar a banda de condução.
• Preço . A desvantagem é que os detectores de germânio são muito mais caros que as câmaras de ionização ou contadores de cintilação .

Vantagens dos detectores de silício

• Comparado aos detectores de ionização gasosa, a densidade de um detector de semicondutor é muito alta e partículas carregadas de alta energia podem liberar sua energia em um semicondutor de dimensões relativamente pequenas.
• O silício tem uma alta densidade de 2.329 g / cm ³ e, portanto, a perda média de energia por unidade de comprimento permite a construção de detectores finos (por exemplo, 300 µm) que ainda produzem sinais mensuráveis. Por exemplo, no caso de partículas ionizantes mínimas (MIP), a perda de energia é de 390 eV / µm. Os detectores de silício são mecanicamente rígidos e, portanto, nenhuma estrutura de suporte especial é necessária.
• Os detectores baseados em silício são muito bons para rastrear partículas carregadas, eles constituem uma parte substancial do sistema de detecção no LHC no CERN.
• Os detectores de silício podem ser usados ​​em campos magnéticos fortes.

Desvantagens dos detectores de silício

• Preço . A desvantagem é que os detectores de silício são muito mais caros do que as câmaras de nuvem ou de arame.
• Degradação . Eles também sofrem degradação ao longo do tempo devido à radiação, no entanto, isso pode ser bastante reduzido graças ao efeito Lázaro.
• FWHM alto . Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. Além disso, o germânio possui menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Isso também fornece ao último uma melhor resolução em energia.

Detectores de germânio de alta pureza ( detectores HPGe ) são a melhor solução para espectroscopia precisa de raios gama e raios-x . Em comparação com os detectores de silício , o germânio é muito mais eficiente do que o silício para a detecção de radiação devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e à menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios , que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Devido ao seu número atômico mais alto, o Ge possui um coeficiente de atenuação linear muito maior, o que leva a um caminho livre médio mais curto. Além disso, os detectores de silício não podem ser mais grossos do que alguns milímetros, enquanto o germânio pode ter um esgotamento,espessura sensível de centímetros e, portanto, pode ser usado como um detector de absorção total para raios gama de até poucos MeV.

Vantagens e desvantagens dos detectores HPGe

Vantagens dos detectores HPGe

• Maior número atômico. O germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama.
• O germânio possui uma energia média mais baixa necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio.
• Muito boa resolução de energia . O FWHM para detectores de germânio é uma função da energia. Para um fóton de 1,3 MeV, o FWHM é de 2,1 keV, o que é muito baixo.
• Grandes cristais . Enquanto os detectores à base de silício não podem ser mais grossos do que alguns milímetros, o germânio pode ter uma espessura sensível e esgotada de centímetros e, portanto, pode ser usado como um detector de absorção total para raios gama de até poucos MeV.

Desvantagens dos detectores HPGe

• Arrefecimento . A principal desvantagem dos detectores HPGe é que eles devem ser resfriados a temperaturas de nitrogênio líquido. Como o germânio possui um intervalo de banda relativamente baixo , esses detectores devem ser resfriados para reduzir a geração térmica de portadores de carga para um nível aceitável. Caso contrário, o ruído induzido pela corrente de fuga destrói a resolução de energia do detector. Lembre-se, a diferença de banda (uma distância entre a valência e a banda de condução ) é muito baixa para o germânio (Egap = 0,67 eV). O resfriamento até a temperatura do nitrogênio líquido (-195,8 ° C; -320 ° F) reduz as excitações térmicas dos elétrons de valência, de modo que apenas uma interação de raios gama pode fornecer ao elétron a energia necessária para atravessar o intervalo da banda e alcançar a banda de condução.
• Preço . A desvantagem é que os detectores de germânio são muito mais caros que as câmaras de ionização ou contadores de cintilação .

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

Detectores de germânio de alta pureza ( detectores HPGe ) são a melhor solução para espectroscopia precisa de raios gama e raios-x . Em comparação com os detectores de silício , o germânio é muito mais eficiente do que o silício para a detecção de radiação devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e à menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios , que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Devido ao seu número atômico mais alto, o Ge possui um coeficiente de atenuação linear muito maior, o que leva a um caminho livre médio mais curto. Além disso, os detectores de silício não podem ser mais grossos do que alguns milímetros, enquanto o germânio pode ter um esgotamento,espessura sensível de centímetros e, portanto, pode ser usado como um detector de absorção total para raios gama de até poucos MeV.

Como os detectores HPGe produzem a mais alta resolução comumente disponível atualmente, eles são usados ​​para medir radiação em diversas aplicações, incluindo monitoramento pessoal e ambiental de contaminação radioativa, aplicações médicas, ensaio radiométrico, segurança nuclear e segurança de usinas nucleares.

Aplicação de detectores HPGe – espectroscopia gama

Como foi escrito, o estudo e a análise de espectros de raios gama para uso científico e técnico são chamados espectroscopia gama, e os espectrômetros de raios gama são os instrumentos que observam e coletam esses dados. Um espectrômetro de raios gama (GRS) é um dispositivo sofisticado para medir a distribuição de energia da radiação gama. Para a medição de raios gama acima de várias centenas de keV, existem duas categorias de detectores de grande importância:  cintiladores inorgânicos como NaI (Tl)  e  detectores semicondutores. Nos artigos anteriores, descrevemos a espectroscopia gama usando um detector de cintilação, que consiste em um cristal cintilador adequado, um tubo fotomultiplicador e um circuito para medir a altura dos pulsos produzidos pelo fotomultiplicador. As vantagens de um contador de cintilação são sua eficiência (tamanho grande e alta densidade) e as altas taxas de precisão e contagem possíveis. Devido ao alto número atômico de iodo, um grande número de todas as interações resultará na absorção completa da energia dos raios gama, de modo que a fração fotográfica será alta.

Mas, se  for necessária uma  resolução perfeita de energia , precisamos usar  um detector à base de germânio , como o  detector HPGe . Os detectores de semicondutores à base de germânio são mais comumente usados ​​onde é necessária uma resolução de energia muito boa, especialmente para  espectroscopia gama , bem como  espectroscopia de raios-x. Na espectroscopia gama, o germânio é preferido devido ao seu número atômico ser muito maior que o silício e aumentar a probabilidade de interação com raios gama. Além disso, o germânio possui menor energia média necessária para criar um par de elétrons-orifícios, que é 3,6 eV para silício e 2,9 eV para germânio. Isso também fornece ao último uma melhor resolução em energia. O FWHM (largura total na metade do máximo) para detectores de germânio é uma função da energia. Para um fóton de 1,3 MeV, o FWHM é de 2,1 keV, o que é muito baixo.

Os detectores de nêutrons auto-alimentados ( SPND ) são detectores de nêutrons que estão sendo amplamente utilizados em reatores para monitorar o fluxo de nêutrons devido à sua adaptabilidade para ambientes severos no núcleo. Os SPNDs podem fazer parte do sistema de monitoramento de fluxo de nêutrons, que fornece informações detalhadas sobre a distribuição do fluxo de nêutrons e, portanto, as margens desses limites de pico de potência. Esses detectores usam o processo básico de decaimento radioativo de seu material de ativação de nêutrons para produzir um sinal de saída. Como o nome indica, os   SPNDs não precisam de uma fonte de tensão externa para criar um potencial de tensão no detector. Em vez disso, uma corrente é produzida no detector como resultado da ativação de nêutronse posterior decaimento beta do próprio detector. Devido à emissão dessas partículas beta (elétrons), o fio se torna cada vez mais carregado positivamente. O potencial positivo do fio faz com que uma corrente flua no resistor R. A corrente de elétrons do decaimento beta pode ser medida diretamente com um amperímetro.

Existem duas vantagens principais do detector de nêutrons auto-alimentado:

• É necessária muito pouca instrumentação, geralmente apenas um milivoltímetro ou um amperímetro
• O material emissor tem uma vida útil muito maior do que o revestimento de boro ou urânio-235 usado nas câmaras de fissão.

Por outro lado, também existem desvantagens, uma delas está associada ao fato de que as correntes, mesmo em operação com potência máxima, são muito baixas. Portanto, os SPNDs não conseguem fornecer informações sobre a distribuição de fluxo em operação de baixa potência (10% ou menos). A principal desvantagem do detector de nêutrons autoalimentado é que o material do emissor decai com uma meia-vida característica, que determina o tempo de resposta do detector. Dependendo do tempo de resposta, esses detectores são amplamente classificados como:

• Detectores de resposta imediata . Os detectores de resposta rápida como Cobalt e Inconel são usados ​​em aplicações de proteção e regulação de reatores.
• Detectores de resposta atrasada . Os detectores de resposta atrasada, como Vanádio e Ródio, estão sendo amplamente utilizados para o Flux Mapping System (FMS).

O SPND típico é um cabo coaxial que consiste em:

• Emissor . Um eletrodo interno, que é feito de um material que absorve um nêutron e sofre decaimento radioativo emitindo um elétron (decaimento beta). O emissor geralmente é feito de ródio e é usado para produzir elétrons.
• Isolamento. O emissor é cercado por isolamento, que geralmente é feito de óxido de alumínio.
• Colecionador . As paredes metálicas do detector envolvem essas peças e servem como coletor para o. elétrons que são produzidos.- O coletor é conectado ao potencial de aterramento,

Os detectores de nêutrons auto-alimentados geralmente são colocados no tubo de instrumentação de um conjunto de combustível; eles podem monitorar todo o comprimento dos conjuntos de combustível selecionados para fornecer um mapa tridimensional extremamente preciso da distribuição do fluxo de nêutrons . Usando esses dados, a reconstrução do fluxo de nêutrons também pode ser realizada no restante do núcleo do reator.

Os materiais típicos usados ​​para o emissor são cobalto, cádmio, ródio e vanádio. Esses materiais devem ser utilizados porque possuem temperaturas de fusão relativamente altas, seções transversais relativamente altas aos nêutrons térmicos e são compatíveis com o processo de fabricação do SPND.

Referência Especial: William H. Todt, Sr. CARACTERÍSTICAS DOS DETECTORES DE NEUTRO AUTOMÓVEIS UTILIZADOS EM RATORES DE ENERGIA. Corporação de tecnologia de imagem e detecção. Nova york.

O sistema de instrumentação nuclear incore mede a distribuição do fluxo de nêutrons e as temperaturas no núcleo do reator. Os objetivos do sistema de instrumentação incore são fornecer informações detalhadas sobre a distribuição do fluxo de nêutrons e as temperaturas de saída da montagem do combustível em locais selecionados. O sistema de instrumentação incore fornece aquisição de dados e geralmente não executa funções de controle operacional ou de proteção.

O sistema de instrumentação incore inclui:

• Sistema de monitoramento de fluxo de nêutrons Incore
• Sistema de monitoramento de temperatura Incore

Manual de Sistemas de Tecnologia Westinghouse, Seção 9.2. Sistema de instrumentação Incore. <disponível em: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11223A264.pdf>.

Sistema de monitoramento de temperatura Incore

O sistema de monitoramento de temperatura de incore consiste em termopares de incore, posicionados em locais pré-selecionados para medir a temperatura de saída do líquido de arrefecimento do conjunto de combustível para uso no monitoramento do compartilhamento de energia radial do núcleo e na distribuição de entalpia do líquido de arrefecimento . Deve-se observar que as temperaturas de saída do refrigerante são mais ou menos influenciadas pela mistura de fluxo lateral e, para alguns projetos de reatores, este sistema tem outro objetivo, como o monitoramento das funções de segurança. Esses dados (temperaturas de saída do líquido de refrigeração) podem ser (dependendo do projeto de certos reatores) usados ​​para:

1. Fornecer aos operadores indicações de condições inadequadas de resfriamento do núcleo durante situações de emergência (por exemplo, superaquecimento do núcleo )
2. Forneça informações sobre o aumento de temperatura no conjunto de combustível. Isso pode indicar uma condição grave do núcleo (por exemplo , bloqueio de canal ) e deve ser investigado.
3. Fornecer entradas para os monitores de margem de sub-resfriamento
4. Forneça entradas para plantar aplicativos computacionais de computador que usem temperaturas de saída do núcleo para determinar aumentos de entalpia na montagem de combustível e informações limitadas sobre a distribuição de energia.

Manual de Sistemas de Tecnologia Westinghouse, Seção 9.2. Sistema de instrumentação Incore. <disponível em: https://www.nrc.gov/docs/ML1122/ML11223A264.pdf>.

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Este artigo é baseado na tradução automática do artigo original em inglês. Para mais informações, consulte o artigo em inglês. Você pode nos ajudar. Se você deseja corrigir a tradução, envie-a para: translations@nuclear-power.com ou preencha o formulário de tradução on-line. Agradecemos sua ajuda, atualizaremos a tradução o mais rápido possível. Obrigado.

O sistema de monitoramento de nêutrons incore consiste em detectores com sensibilidade suficiente para permitir a medição das variações localizadas da distribuição do fluxo de nêutrons no núcleo do reator . Deve-se notar que, nos núcleos dos reatores de potência, a distribuição de fluxo e também a distribuição de energia são significativamente influenciadas por muitos fatores. Portanto, a temperatura em um reator operacional varia de ponto a ponto dentro do sistema. Como consequência, há sempre uma vara de combustível e um volume local , que está mais quente do que todo o resto. Para limitar esses locais quentes, os limites de potência máxima devem ser introduzidos. Os limites de pico de potência estão associados a umaebulição e com as condições que podem causar o derretimento de pellets de combustível. O sistema de monitoramento de fluxo de nêutrons incore fornece informações detalhadas sobre a distribuição de fluxo de nêutrons e, portanto, as margens para esses limites de pico de potência .

O sistema de monitoramento de fluxo de nêutrons incore geralmente utiliza:

• câmaras de fissão em miniatura
• detectores de nêutrons auto-alimentados

Esses detectores de fluxo móveis, geralmente colocados no tubo de instrumentação de um conjunto de combustível , podem monitorar todo o comprimento dos conjuntos de combustível selecionados para fornecer um mapa tridimensional extremamente preciso da distribuição de fluxo de nêutrons . Usando esses dados, a reconstrução do fluxo de nêutrons também pode ser realizada no restante do núcleo do reator. Os dados obtidos no sistema de monitoramento de fluxo de nêutrons embutidos são geralmente (dependendo do projeto de certos reatores) usados ​​para:

1. Esses dados podem ser usados ​​para determinar a distribuição de energia no núcleo a qualquer momento durante o ciclo de combustível. A distribuição de energia monitorada é usada para verificar se os seguintes fatores de canal quente da distribuição de energia estão em conformidade com os limites das especificações técnicas:
   1. O fator de canal quente de fluxo de calor – F _Q (z) , que é definido como: A razão entre a densidade de potência linear local máxima, em que existe uma margem mínima para limitar a temperatura do combustível (durante AOOs) e a densidade de potência linear local média no núcleo.
   2. O fator de canal quente de subida de entalpia nuclear – F _NΔH , que é definido como: A razão da integral de potência linear ao longo da barra de combustível na qual ocorre um desvio mínimo da razão de ebulição de nucleados (durante AOOs) para a potência média da barra de combustível na testemunho.
2. Esses dados podem ser usados ​​para determinar a queima de combustível e os inventários de combustível isotópico no núcleo a qualquer momento durante o ciclo de combustível.
3. Esses dados podem ser usados ​​para calibrar os instrumentos nucleares da faixa de potência excore para diferença de fluxo axial (AFD)
4. Esses dados podem ser usados ​​para verificar se a relação de inclinação da potência do quadrante (QPTR) atende ao limite da especificação técnica.
5. Os dados também fornecerão tendências das condições principais, para que ações corretivas possam ser tomadas antes que uma condição se torne excessiva.

Veja também: Distribuição de energia em PWR

Veja também: Método nodal na difusão de nêutrons

Detector de nêutrons auto-alimentado

Os detectores de nêutrons auto-alimentados ( SPND ) são detectores de nêutrons que estão sendo amplamente utilizados em reatores para monitorar o fluxo de nêutrons devido à sua adaptabilidade para ambientes severos no núcleo. Os SPNDs podem fazer parte do sistema de monitoramento de fluxo de nêutrons, que fornece informações detalhadas sobre a distribuição do fluxo de nêutrons e, portanto, as margens desses limites de pico de potência. Esses detectores usam o processo básico de decaimento radioativo de seu material de ativação de nêutrons para produzir um sinal de saída. Como o nome indica, os   SPNDs não precisam de uma fonte de tensão externa para criar um potencial de tensão no detector. Em vez disso, uma corrente é produzida no detector como resultado da ativação de nêutronse posterior decaimento beta do próprio detector. Devido à emissão dessas partículas beta (elétrons), o fio se torna cada vez mais carregado positivamente. O potencial positivo do fio faz com que uma corrente flua no resistor R. A corrente de elétrons do decaimento beta pode ser medida diretamente com um amperímetro.

Existem duas vantagens principais do detector de nêutrons auto-alimentado:

• É necessária muito pouca instrumentação, geralmente apenas um milivoltímetro ou um amperímetro
• O material emissor tem uma vida útil muito maior do que o revestimento de boro ou urânio-235 usado nas câmaras de fissão.

Por outro lado, também existem desvantagens, uma delas está associada ao fato de que as correntes, mesmo em operação com potência máxima, são muito baixas. Portanto, os SPNDs não conseguem fornecer informações sobre a distribuição de fluxo em operação de baixa potência (10% ou menos). A principal desvantagem do detector de nêutrons autoalimentado é que o material do emissor decai com uma meia-vida característica, que determina o tempo de resposta do detector. Dependendo do tempo de resposta, esses detectores são amplamente classificados como:

• Detectores de resposta imediata . Os detectores de resposta rápida como Cobalt e Inconel são usados ​​em aplicações de proteção e regulação de reatores.
• Detectores de resposta atrasada . Os detectores de resposta atrasada, como Vanádio e Ródio, estão sendo amplamente utilizados para o Flux Mapping System (FMS).

O SPND típico é um cabo coaxial que consiste em:

• Emissor . Um eletrodo interno, que é feito de um material que absorve um nêutron e sofre decaimento radioativo emitindo um elétron (decaimento beta). O emissor geralmente é feito de ródio e é usado para produzir elétrons.
• Isolamento. O emissor é cercado por isolamento, que geralmente é feito de óxido de alumínio.
• Colecionador . As paredes metálicas do detector envolvem essas peças e servem como coletor para o. elétrons que são produzidos.- O coletor é conectado ao potencial de aterramento,

Os detectores de nêutrons auto-alimentados geralmente são colocados no tubo de instrumentação de um conjunto de combustível; eles podem monitorar todo o comprimento dos conjuntos de combustível selecionados para fornecer um mapa tridimensional extremamente preciso da distribuição do fluxo de nêutrons . Usando esses dados, a reconstrução do fluxo de nêutrons também pode ser realizada no restante do núcleo do reator.

Os materiais típicos usados ​​para o emissor são cobalto, cádmio, ródio e vanádio. Esses materiais devem ser utilizados porque possuem temperaturas de fusão relativamente altas, seções transversais relativamente altas aos nêutrons térmicos e são compatíveis com o processo de fabricação do SPND.

Referência Especial: William H. Todt, Sr. CARACTERÍSTICAS DE DETETORES DE NEUTRO AUTOMÓVEIS UTILIZADOS EM RATORES DE ENERGIA. Corporação de tecnologia de imagem e detecção. Nova york.

Emissor de ródio – SPND à base de ródio

Um dos possíveis materiais é o ródio como emissor. Um SPND com um emissor de ródio tem uma sensibilidade relativamente alta , alta taxa de queima , perturba a densidade de energia local e tem um sinal ( duas vezes ) atrasado . O detector à base de ródio é o tipo de corrente beta do detector auto-alimentado, que usa a seguinte reação de ativação para produzir uma corrente que pode ser medida.

¹ n + ¹⁰³ Rh → ¹⁰⁴ Rh → ¹⁰⁴ Pd + β

Como pode ser visto, um nêutron capturado pelo ródio-103 faz com que um átomo de ródio-103 se torne um átomo radioativo de ródio-104 . O ródio-104 decai em paládio-104 mais uma partícula beta ( elétron ). A partícula beta tem energia suficiente para passar pelo isolador e alcançar o coletor. A meia-vida do ródio-104 ativado é de 42,3 segundos, o que atrasa a emissão da partícula carregada. O detector à base de ródio usa essa produção de partículas beta (elétrons) para criar uma corrente proporcional ao número de nêutrons capturados pelo emissor, que também é proporcional à densidade de potência do reator local. Uma parte do fluxo atual do detector é devido a raios gama. Para compensar esse sinal incorreto, uma correção de fundo é realizada através do detector de fundo, que consiste nos mesmos componentes que o detector, exceto que o ródio é removido.

O Rhodium-103 possui uma seção transversal de captura de 133 celeiros para nêutrons térmicos e uma ressonância em 1,25 eV. Essa reação leva à produção de ¹⁰⁴ Rh com T _1/2 = 42 s, que é beta radioativo. Deve-se notar que cerca de 11 celeiros pertencem à reação na qual um isômero ^104m Rh é produzido (com T _1/2 = 4,4 min).

As seguintes características são típicas quando usadas em reatores de potência térmica (por exemplo, PWR).

• A taxa de queima de ródio é de 0,39% ao mês em um fluxo térmico de nêutrons de 10 ¹³ n / cm ² / s.
• 92% do sinal tem meia-vida de 42 segundos.
• 8% do sinal tem meia-vida de 4,4 minutos.
• A emissão beta tem uma energia de 2,44 MeV.

Emissor de vanádio – SPND à base de vanádio

Um SPND com um emissor de vanádio tem uma sensibilidade relativamente baixa, baixa taxa de queima, com perturbação mínima da densidade de potência local e um sinal atrasado muito longo. O detector à base de vanádio é o tipo de corrente beta do detector auto-alimentado, que usa a seguinte reação de ativação para produzir uma corrente que pode ser medida.

¹ n + ⁵¹ V → ⁵² V → ⁵² Cr + β

O vanádio-51 possui uma seção transversal de captura de 4,9 celeiros para nêutrons térmicos sem ressonâncias. Essa reação leva à produção de ⁵² V com T _1/2 = 3,74 min, que é beta radioativo .

As seguintes características são típicas quando usadas em reatores de potência térmica (por exemplo, PWR).

• A taxa de queima de vanádio é de 0,012% por mês em um fluxo térmico de nêutrons de 10 ¹³ n / cm ² / s.
• 99% do sinal tem meia-vida de 3,8 minutos.
• 1% do sinal é rápido.
• A emissão beta subsequente possui uma energia de 2,6 MeV.

Os detectores de faixa de potência são o principal sistema de instrumentação nuclear para operação de energia. Eles monitoram o fluxo de nêutrons (potência do reator) de zero a cerca de 120% da potência nominal total, juntamente com a indicação da distribuição axial e radial dessa potência. Eles também fornecem indicação, alarmes e sinais de disparo do reator. À medida que o nível de fluxo de nêutrons aumenta para a faixa de potência, a compensação gama não é uma grande preocupação, porque os raios gama não contribuem muito para a ionização total (cerca de 0,1% a 100% de potência). Portanto, a instrumentação da faixa de potência geralmente consiste em quatro câmaras de ionização não compensadas , cada uma com seu próprio detector separado, passagem de cabo e circuito eletrônico. A câmara de ionização , também conhecida como câmara de íons, é um dispositivo elétrico que detecta vários tipos de radiação ionizante . A tensão do detector é ajustada para que as condições correspondam à região de ionização . A tensão não é alta o suficiente para produzir amplificação de gás (ionização secundária). As câmaras de ionização são preferidas para altas taxas de dose de radiação porque não têm “ tempo morto ””, Um fenômeno que afeta a precisão do tubo Geiger-Mueller em altas taxas de dose. O detector consiste em uma única câmara cilíndrica cuja operação é idêntica à da câmara revestida de boro da câmara de íons compensados. Esta câmara não compensada é sensível aos raios gama e aos nêutrons. No entanto, na faixa de potência de operação, o nível do fluxo de nêutrons é muitas vezes maior que o fluxo gama e, portanto, nenhuma compensação gama é necessária.

Todos os quatro canais são fisicamente e funcionalmente idênticos. Cada canal de faixa de potência emprega um detector superior e inferior de câmara de íons descompensada (detector em tandem), que permite medir a diferença de fluxo axial . Cada canal também monitora um “quadrante” do núcleo. Um detector superior e um detector inferior são montados dentro do mesmo instrumento. As saídas de ambos os detectores (superior e inferior) são combinadas para produzir um sinal de potência total do canal. As oito saídas do detector (quatro detectores superiores e quatro detectores inferiores) são comparadas entre si para fornecer informações de distribuição de energia (AFD e QPTR ) ao operador do reator.

A diferença de fluxo axial é definida como a diferença nos sinais de fluxo normalizados (AFD) entre as metades superior e inferior de um detector de nêutrons excore de duas seções, diminuirá.

AFD é definido como:

AFD ou ΔI = I _superior – I _inferior

onde _topo e _fundo são expressos como uma fração da potência térmica nominal.

QPTR é definido como:

A razão entre a saída calibrada do detector superior e a média das saídas calibradas do detector superior ou a proporção entre a saída calibrada do detector máximo e a média das saídas calibradas do detector inferior, o que for maior.

A instrumentação da faixa de potência monitora e indica o nível do fluxo de nêutrons do núcleo do reator e a taxa pela qual o fluxo de nêutrons muda durante uma operação de energia e a carga padrão segue a operação. O fluxo de nêutrons é indicado como porcentagem da potência nominal. A taxa de variação da população de nêutrons é indicada como taxa de inicialização (SUR), que é definida como o número de fatores de dez que a energia muda em um minuto. Portanto, as unidades do SUR são potências de dez por minuto, ou décadas por minuto ( dpm ).

Embora o sistema de instrumentação nuclear forneça resposta imediata às mudanças no fluxo de nêutrons e seja um sistema insubstituível, ele deve ser calibrado . Os canais da faixa de potência são calibrados para indicar a porcentagem de energia térmica nominal por um balanço de calor secundário (calorimétrico). A potência térmica precisa do reator pode ser medida apenas por métodos baseados no balanço de energia do circuito primário ou no balanço de energia do circuito secundário.

Referência especial: Plano de revisão padrão para a revisão de relatórios de análise de segurança para usinas nucleares: LWR Edition. NUREG-0800, NRC dos EUA.

Fluxo de nêutrons e queima de combustível

Em um reator de potência durante um período relativamente curto de tempo (dias ou semanas), a densidade do número atômico dos átomos de combustível permanece relativamente constante. Portanto, neste curto período, também o fluxo médio de nêutrons permanece constante , quando o reator é operado a um nível de potência constante. Por outro lado, as densidades do número atômico de isótopos físseis diminuem durante um período de meses devido à queima de combustível e, portanto, também as seções macroscópicas diminuem. Isso resulta em um aumento lento no fluxo de nêutrons para manter o nível de potência desejado. Portanto, o sistema de instrumentação nuclear excore deve ser calibrado periodicamente.

Faixa de potência – Segurança do reator

Como foi escrito, o sistema de instrumentação nuclear excore é considerado um sistema relacionado à segurança, porque fornece entradas para o sistema de proteção do reator . O disparo do fluxo de nêutrons da faixa de potência fornece a proteção do núcleo para muitos acidentes de excursão de potência no MODO 1 (operação de energia). Exemplos de sinais de ação de proteção fornecidos pela faixa de potência incluem:

• O fluxo de nêutrons da faixa de potência (baixo – ponto de ajuste). Um disparo do reator ocorrerá se o nível de energia exceder o valor predefinido (por exemplo, 25%) em dois dos quatro canais e o disparo não estiver bloqueado.
• O fluxo de nêutrons da faixa de potência (alto – ponto de ajuste). Um disparo do reator ocorrerá se o nível de energia exceder o valor predefinido (por exemplo, 109%) em dois dos quatro canais para proteger o núcleo de uma condição de sobrecarga e para proteger de uma excursão de reatividade positiva que leva ao DNB durante operações de energia. Esta viagem não pode ser bloqueada.
• Taxa de viagens . Se a taxa de variação da potência do reator exceder um valor predefinido na direção positiva ou negativa, ocorrerá um disparo do reator.
  • O disparo de alta taxa positiva garante que a proteção seja fornecida contra aumentos rápidos no fluxo de nêutrons, característicos de uma ruptura do alojamento da haste de acionamento RCCA e da ejeção que acompanha o RCCA.
  • A viagem com taxa negativa alta garante proteção para vários acidentes com queda de haste. Em níveis altos de potência, um acidente de queda múltipla da haste pode causar pico de fluxo local que resultaria em um DNBR local não conservador.