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I rilevatori autoalimentati a neutroni (SPND) generano un potenziale di tensione all'interno del rivelatore senza necessitare di una fonte di alimentazione esterna. Piuttosto, l'attivazione dei neutroni e la successiva decadimento beta del materiale del rivelatore producono una corrente elettrica all'interno dello stesso. I particelle beta, o elettroni, emesse da questo decadimento, fanno sì che il filo diventi progressivamente carico positivamente. A causa di questa carica positiva, una corrente scorre attraverso una resistenza collegata al rivelatore. Un amperometro o un millivoltmeter può essere utilizzato per misurare direttamente la corrente causata dal decadimento beta.
I principali vantaggi di un rivelatore SPND sono due: in primo luogo, la scarsità di attrezzatura richiesta, poiché generalmente è sufficiente un amperometro o un millivoltmeter; in secondo luogo, la durata del materiale emittente che è notevolmente superiore a quella dell'uranio-235 o del boro impiegati nelle camere di fissione. Tuttavia, questo tipo di rivelatore presenta anche degli svantaggi significativi. Uno dei principali è legato alle correnti estremamente basse, anche durante il funzionamento a piena potenza. Per tale motivo, quando l'operazione avviene a bassa potenza (al di sotto del 10%), gli SPND non sono in grado di fornire informazioni dettagliate sulla distribuzione del flusso di neutroni. Inoltre, un altro svantaggio riguarda il tempo di risposta del rivelatore, che dipende dalla vita media caratteristica del materiale emittente.
Gli SPND vengono comunemente suddivisi in due categorie in base al tempo di risposta: i rivelatori a risposta rapida, impiegati nelle applicazioni di protezione e regolazione dei reattori, come il cobalto e l'Inconel, e i rivelatori a risposta ritardata, come il vanadio e il rodio, utilizzati nei sistemi di mappatura del flusso di neutroni (FMS).
Il tipico SPND è costituito da un cavo coassiale che include un emittente, un materiale isolante e un collettore. L'emittente è la sostanza che, assorbendo un neutrone, subisce un decadimento radioattivo rilasciando un elettrone (decadimento beta). I materiali più comuni per la realizzazione dell'emittente sono il rodio, il cobalto, il cadmio e il vanadio, in quanto questi elementi sono compatibili con il processo di produzione degli SPND e presentano punti di fusione relativamente alti e ampie sezioni d'urto per i neutroni termici.
L’installazione di questi rivelatori avviene tipicamente nel tubo di strumentazione di un’assemblaggio di combustibile, consentendo di generare un'immagine precisa e tridimensionale della distribuzione del flusso di neutroni. Tracciando l'intera lunghezza di determinati assemblaggi di combustibile, i dati ottenuti possono anche essere utilizzati per ricostruire la distribuzione del flusso di neutroni nel resto del cuore del reattore. La sensibilità di un rivelatore SPND dipende anche dal tipo di materiale emittente utilizzato. Ad esempio, il rodio è spesso scelto per la sua capacità di generare un segnale ritardato con una buona sensibilità, mentre il vanadio ha una bassa sensibilità e un segnale ritardato più lungo.
Il rodio (Rh), ad esempio, è un materiale che può fungere da emittente in un SPND, con un processo di attivazione che comporta la trasformazione dell'atomo di rodio-103 in rodio-104, che poi decade emettendo un beta-particella (elettrone). Il rodio-104 ha una vita media di 42,3 secondi, il che ritarda l'emissione della particella carica e permette al rivelatore di generare una corrente proporzionale al numero di neutroni catturati dall'emittente, e quindi alla densità di potenza locale del reattore.
Il vanadio (V) è un altro emittente possibile, ma rispetto al rodio, presenta un segnale ritardato molto più lungo, una bassa velocità di esaurimento e una bassa sensibilità. L'attivazione del vanadio-51 produce il vanadio-52, che subisce un decadimento beta con una vita media di circa 3,74 minuti. Sebbene il vanadio abbia un basso tasso di esaurimento, il suo utilizzo comporta una minore efficienza nel monitoraggio delle variazioni rapide nel flusso di neutroni, ma risulta utile in applicazioni in cui la sensibilità non è una priorità assoluta.
I rilevatori SPND sono particolarmente utili in contesti come la fisica nucleare, il monitoraggio dei reattori nucleari, la rilevazione di materiali nucleari speciali e la radioterapia a neutroni veloci. Tuttavia, la loro applicazione è limitata a determinati scenari, a causa della bassa efficienza nel rilevare neutroni veloci e della complessità intrinseca della misurazione dei neutroni ad alta energia. Mentre la rilevazione di neutroni lenti si basa su una serie di tecniche consolidate, la rilevazione dei neutroni veloci richiede modifiche al sistema di rilevamento per mantenere un'efficienza accettabile.
Inoltre, a causa dell'energia relativamente elevata dei neutroni veloci, è possibile ottenere informazioni aggiuntive sull'energia del neutrone incidente, che può essere cruciale in alcune applicazioni. Tuttavia, la conversione dei neutroni lenti in neutroni veloci comporta una perdita di informazioni sull'energia cinetica del neutrone, poiché l'energia liberata nella reazione di conversione stessa è molto maggiore rispetto all'energia del neutrone incidente.
Strategia di Modellazione e Controllo della Reattività nei Reattori CANDU
La creazione di un modello dinamico del nucleo di un reattore CANDU con parametri lumped è stata descritta nella fonte [12]. Il nucleo del reattore è suddiviso in 14 zone, in virtù della configurazione del combustibile all'interno del recipiente Calandria, dell’aggiunta di flussi di refrigerante e moderatore, e delle dimensioni stesse del nucleo. Un'equazione di cinetica del reattore a punto singolo, tipica della modellazione dei reattori ad acqua leggera, è stata estesa per generare un sistema di equazioni accoppiate non lineari di cinetica dei neutroni. L'interazione tra i neutroni in una zona e i processi di fissione nelle zone adiacenti è stata presa in considerazione per stabilire il legame tra le zone. Inoltre, le equazioni che descrivono la sintesi e il decadimento di xeno e iodio sono state integrate per considerare il fenomeno di avvelenamento da prodotti di fissione. Il comportamento neutronico multi-zona e l'uso delle diverse caratteristiche di controllo della reattività nel reattore CANDU sono descritti attraverso equazioni differenziali ordinarie non lineari (vedi Sezione 9.8). Vengono utilizzate barre regolabili, assorbitori meccanici di controllo e controllori di zona liquida per modulare la reattività del nucleo. Esternamente al nucleo, le barre di controllo meccaniche sono utilizzate anche per il disinserimento del reattore tramite inserimento gravitazionale. Le 14 zone che compongono il nucleo del reattore CANDU sono illustrate nella figura 9.9. Va notato che un gruppo di zone condivide le stesse dimensioni fisiche e le stesse caratteristiche fisiche.
La risposta di potenza del reattore alla variazione della reattività in una zona è stata analizzata in dettaglio nella fonte [12]. Durante un periodo prolungato, è stata inserita una rampa di reattività che è passata da zero a 0,00015, con una velocità di inserimento di 1,5 × 10−7/s, relativamente lenta. La variazione frazionaria della potenza nella zona 1 è visibile nella figura 9.10. Le transizioni di potenza nelle zone 2-7 sono mostrate nella figura 9.11, mentre le transizioni nelle zone 8-14 sono presentate nella figura 9.12. Per ridurre le inclinazioni di potenza nel nucleo e mantenere la potenza totale frazionaria pari a 1 (100%), vengono utilizzate azioni di controllo per modificare i livelli di potenza nelle diverse zone. Queste simulazioni mostrano che il reattore CANDU ha azioni di controllo digitale speciali per garantire una corretta distribuzione della potenza nel nucleo e per mantenere la regolazione del punto di set.
Nel reattore CANDU, la gestione della potenza avviene tramite il controllo della reattività, come in qualsiasi altro tipo di reattore. I dispositivi di reattività, che possono essere inseriti o rimossi dal nucleo, vengono utilizzati per regolare la reattività. La reattività può essere modificata aggiungendo o rimuovendo questi dispositivi, influenzando così il tasso di assorbimento. Ciò consente modifiche alla potenza, alla reattività e allo spegnimento del reattore. Il Sistema di Regolazione del Reattore (RRS) o uno dei due sistemi separati di spegnimento (SDS1 e SDS2) sono responsabili dei dispositivi di reattività nel reattore CANDU. L'acqua pesante è un debole assorbitore di neutroni, il che è vantaggioso per quanto riguarda l'utilizzo del combustibile. Per compensare i cambiamenti di reattività nel combustibile, le proprietà di assorbimento del moderatore possono essere modificate aggiungendo un assorbitore di neutroni solubile in basse concentrazioni. Il gadolinio e il boro, con isotopi di neutroni fortemente assorbenti (Gd-155, Gd-157 e B-10), possono essere introdotti attraverso il sistema di veleno liquido e rimossi mediante il sistema di purificazione del moderatore utilizzando scambiatori ionici.
L'acqua leggera è un assorbitore di neutroni più forte rispetto all'acqua pesante e, perciò, la concentrazione di acqua leggera nel moderatore di acqua pesante deve essere limitata per evitare un'eccessiva assorbimento di neutroni. La concentrazione isotopica normale di D2O nel moderatore è del 99,5%. Tuttavia, l'acqua leggera può essere usata convenientemente come dispositivo di controllo all'interno del reattore, dove il suo volume in tubi verticali può essere variato. I dispositivi di reattività utilizzati dal RRS per gestire il design tipico del CANDU-6 sono i seguenti:
• Compartimenti di Controllo della Zona Liquida (riempiti con H2O): I sei assorbitori di zona liquida, posizionati verticalmente all'interno del nucleo del reattore e dotati di aste di regolazione, aste di arresto e assorbitori meccanici di controllo, sono principalmente responsabili di mantenere l'equilibrio critico della reattività. Questi assorbitori di zona liquida comprendono un totale di 14 compartimenti, ciascuno dei quali contiene acqua leggera suddivisa in 2 o 3 porzioni distinte. Il controllo spaziale del flusso di neutroni è reso possibile da questi assorbitori indipendenti e distinti. Oltre a fungere da barre di controllo quando l'acqua leggera viene introdotta o rimossa attraverso tubazioni di ingresso e uscita, la variazione della portata del flusso influenzerebbe il livello. L’acqua leggera assorbe neutroni in modo più forte rispetto all'acqua pesante. Un gas elio viene mantenuto sopra l’acqua leggera e il livello dell’acqua viene indicato dalla differenza di pressione tra l’ingresso e l'uscita. Le valvole automatizzate, che ricevono segnali dai rilevatori di flusso tramite i computer di controllo del sistema di regolazione del reattore, regolano la quantità di acqua in ciascun compartimento.
• Asta di Regolazione Meccanica: Le aste di regolazione vengono utilizzate per ottimizzare il profilo del flusso di neutroni per la potenza del reattore, compensare il decadimento del combustibile e fornire reattività in eccesso per contrastare i picchi di xenon-135 dopo una riduzione di potenza.
• Assorbitori Meccanici di Controllo: Quattro assorbitori meccanici di controllo, composti principalmente da cadmio e racchiusi in acciaio inossidabile, sono inclusi oltre agli assorbitori di zona liquida. Quando è necessaria una maggiore velocità di variazione della reattività o una maggiore profondità rispetto a quanto possibile con gli assorbitori di zona liquida, questi assorbitori modificano il livello di flusso. Essi intervengono per adattare la reattività a seconda delle necessità del sistema.
Questi dispositivi sono integrati in un sistema complesso che permette al reattore CANDU di mantenere un controllo preciso e continuo della potenza, gestendo al meglio le fluttuazioni e ottimizzando l'uso del combustibile. La comprensione di questi meccanismi di controllo è fondamentale per garantire la sicurezza e l'efficienza operativa nel lungo termine.