promieniowania Oddziaływanie Detekcja neutronów - stosowane reakcje (Powtórka)

Transkrypt

1 Wykład na Studiach Podyplomowych "Energetyka jądrowa we współczesnej elektroenergetyce", Kraków, 4 maj DETEKCJA NEUTRONÓW JERZY JANCZYSZYN Oddziaływanie promieniowania (Powtórka) Cząstki naładowane oddziałują z materią przez jonizację, wzbudzanie oraz hamowanie obojętne (fotony i neutrony), oddają energię cząstkom naładowanym przez oddziaływania z elektronami (fotony) Efekt fotoelektryczny Rozproszenie Comptona Tworzenie par reakcje jądrowe (neutrony) Rozpraszanie neutronów (protony odrzutu) Rozszczepienie (fragmenty rozszczepienia) Inne (reakcje (n,α), (n,t), aktywacja) Detekcja neutronów - stosowane reakcje He H H,7 MeV E p =,7MeV; E t =,9 MeV 4 Li H He 4,78 MeV E =,7 MeV; t E α =, MeV 7 4 B Li* He, MeV Przekrój czynny σ [b] 7 4 B Li He,79 MeV ~ % He - drogi Li - ~ 7,4 % ~ % Li B He..E-8.E-.E-4.E-.E.E E n [MeV] ~94 % B - ~ % ~ % Detekcja neutronów - stosowane reakcje Rozszczepienie: bardzo duŝa energia reakcji (~ MeV) bardzo dobra dyskryminacja promieniowania γ takŝe detekcja neutronów prędkich ( 8 U, 7 Np, Th) Przekrój czynny σ [b].e.e.e.e.e-.e-.e-8.e-.e-4.e-.e.e E n [MeV] U 8U Th 4

2 Przekaz energii Detektory gazowe Amplituda impulsu zaleŝy od natęŝenia pola. Bardzo niskie napięcie nie zapobiega rekombinacji par jonów. WyŜsze napięcie zmniejsza rekombinację - obszar nasycenia (wszystkie jony zebrane) zakres komory jonizacyjnej. Pomiar natęŝenia prądu lub częstości zliczeń impulsów. Detektory gazowe Silniejsze pole (> V/m) - wzmocnienie gazowe - wzrost ładunku/parę jonów pierwotnych - większe impulsy przy tym samym przekazie energii, dzięki jonizacji wtórnej (lawina elektronów). Proporcjonalność amplitudy impulsów do pierwotnie przekazanej energii w detektorze obszar licznika proporcjonalnego. Detektory neutronów w termicznych (<, ev) Wybór reakcji: duŝy przekrój czynny - małe rozmiary detektora; moŝliwość stosowania detektorów gazowych tani materiał, bogaty w określony izotop wysoka energia reakcji - łatwiejsza dyskryminacja sygnału od promieniowania γ produkt reakcji - cięŝkie cząstki naładowane (p, α, jądro odrzutu, produkt rozszczepienia - krótki zasięg - przekaz całej energii Detektory z borem. Liczniki proporcjonalne (zwykle cylindryczne) z gazem BF wzbogaconym w B, pod ciśnieniem,, MP centralna anoda o Φ ~, mm napięcie kv wzmocnienie gazowe moŝliwość dyskryminacji amplitudowej impulsów od promieniowania γ wydajność detekcji proporcjonalna do długości detektora, silnie zaleŝy od energii neutronów (σ), kilka do 9 % 7 8

3 Detektory z borem. Liczniki proporcjonalne z wewnętrznym pokryciem z B, grubość ~ mg/cm (zasięg cząstek α), inny gaz (lepszy), krótszy czas zbierania ładunku przekaz tylko części energii reakcji (jedna cząstka grzęźnie w warstwie B) gorsza skuteczność dyskryminacji amplitudowej impulsów od promieniowania γ gorsza stabilność długofalowa mierzonej częstości zliczeń Inne cechy jak w licznikach BF Detektory rozszczepieniowe. Neutrony termiczne: U, 9 Pu, E kin ~ MeV/rozszczepienie grubość pokrycia ~- mg/cm (zasięg fragmentów rozszczepienia o ładunku początkowym - e), łatwa dyskryminacja - niskie tło - - cząstki α (rozpady), komory rozszczepieniowe, pomiar natęŝenia prądu (reaktor) lub liczby impulsów wydajność detekcji zaleŝy od grubości pokrycia, ~, % 9 Reaktorowa komora rozszczepieniowa Końcówka do napełniania argonem Izolacja Pokrycie U O 8 Elektroda wewnętrzna Komora napełniona argonem Elektroda zewewnętrzna (obudowa) MosięŜne uszczelnienie G.N. Knoll, Radiation detection & measurement Do zastosowania wewnętrznego w reaktorze BWR: Φ ~ n/cm s moc dawki γ ~ 8 R/h temp. pracy do º C ciśn. zewn. do 7 Mpa ciśn. pracy:, MPa U ~ V stal nierdzewna wypalanie U dodatek materiału rodnego 4 U prod. rozszcz. - aktywacja komory Detekcja neutronów w w reaktorze Termiczne (rozkład Maxwella wokół średniej energii, ev) W zbiorniku ciśnieniowym lub poza nim Φ i T (okres reaktora) - DuŜy zakres ( dekad): kontrola przy wyłączeniu, rozruchu i zwiększaniu mocy; pomiar mocy (P) uśrednionej po objętości całego rdzenia Prędkie Kilka dekad Rozkład gęstości mocy i jej zmian Wysokie wymagania do detektorów Małe rozmiary odpływ pary zbiornik reaktora dopływ wody paliwo pręt sterowania

4 Detektory neutronów w termicznych Tory pomiarowe: Detektory neutronów (gazowe lub aktywacyjne) Wzmacniacze i przetworniki sygnału: pomiary T, gęstości mocy sygnały alarmowe Wskaźniki i rejestratory W reaktorach energetycznych: Zewnętrzne, dla kilku podzakresów: rozruch źródło neutronów stan przejściowy podnoszenie lub zmniejszanie mocy pełna moc liczniki proporcjonalne BF i komory jonizacyjne: rozszczepieniowe ( U, 9 Pu), neutronowe (z B), z kompensacją γ i bez Oprzyrządowanie pomiarów reaktorowych Zewnętrzne (out-of-core) W zbiorniku ciśnieniowym lub poza nim Φ i T (okres reaktora) - DuŜy zakres ( dekad): kontrola przy wyłączeniu, rozruchu i zwiększaniu mocy; pomiar mocy (P) uśrednionej po objętości całego rdzenia Wewnętrzne (in-core) Kilka dekad Rozkład gęstości mocy i jej zmian Wysokie wymagania do detektorów Małe rozmiary 4 Zakresy działania ania detektorów w zewnętrznych Względna moc cieplna: Oprzyrządowanie pomiarów reaktorowych c.d. Detektory zewnętrzne, w kanałach suchych i chłodzonych, w osłonie biologicznej reaktora korzystne warunki pracy, łatwa wymiana rejestrują neutrony uciekające z reaktora odpowiadająśredniej wartości Φ i P w rdzeniu śledzą bez opóźnienia kaŝdą zmianę Detektory wewnętrzne, w rdzeniu kontrola rozkładu gęstości mocy (strumienia neutronów) i jej zmian wysokie wymagania (temperatura, radiacja) nieruchome lub ruchome małe wymiary (średnica ~ mm) reakcja na lokalne zmiany (ruch prętów) Eksploatacja reaktorów jądrowych, Praca zbiorowa pod redakcją G. Ackermanna, WNT Warszawa 987

5 Wykład na Studiach Podyplomowych "Energetyka jądrowa we współczesnej elektroenergetyce", Kraków, 4 maj Detektor HPGe (koaksjalny) DETEKTORY PROMIENIOWANIA GAMMA - HPGe - High Purity Germanium - dioda półprzewodnikowa spolaryzowana zaporowo próŝnia JERZY JANCZYSZYN kryształ Ge elektrody przedwzmacniacz 7 8 Detektor scyntylacyjny fotokatoda NaI(Tl) reflektor dynody próŝnia - scyntylator - monokryształ rozbłyskujący pod wpływem padającego promieniowania (X, γ, β, α i in.) fotopowielacz 9