Strumentazione nucleare di controllo

La potenza media termica sviluppata in un reattore può essere misurata come prodotto del salto di temp. ΔT presente fra uscita e ingresso del refrigerante e portata Q del refrigerante stesso. Ma ai fini del controllo una tal misura sarebbe troppo lenta. Essa viene effettuata egualm. con l’im-piego di quella che può chiamarsi strumentazione convenzionale (strumenti misuratori di temp., di

press., di portate di liquidi o di gas ecc.). I servomeccanismi di controllo vengono però asserviti

2 ore 53 ore _stabile

t_{(max ψ )}  _0,78--- ln ^{105 2,88} 2,10 ---=4,05 10⋅ 4 s 11,2 ore= Nd 149 60 ¹⁴⁹₆₁Pm ¹⁴⁹₆₂Sm Ψ_∞ ^Σf Σc --- σsγpΦ λp ---+γp ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ = t_ψ ∞ ( ) = 4 5( ÷ ) _log⁵³ e2 ---  300 400 ore÷

a quella che viene detta strumentazione nucleare. Poiché il prodotto Σf Φ (v. anche O-1.6.3) mi-sura il numero di atti di fissione che avvengono in un s in un cm3 di materiale contenente com-bust., e poiché per sviluppare una potenza termica di 1 W sono necessari 31 miliardi di fissioni al secondo, se V, in cm3 è il volume interessato, in esso avverranno V Σf Φ fissioni al secondo e si svilupperà in esso una potenza:

In ogni punto del reattore e in ogni istante la potenza sviluppata è quindi proporz. al flusso neutronico Φ. La strumentaz. nucleare misura tale valore in opportuni punti del reattore. Per quanto detto a proposito della funzione Ψ (x, y, z) di distribuzione è suff. la misura della dens. neutronica (o del flusso nv) in un punto del reattore per conoscere la densità neutronica in ogni altro punto se la funz. Ψ (x, y, z) è nota. Una volta costruito il reattore, esso viene fatto funzio-nare a potenza bassissima (la funz. Ψ dipende molto poco dalla potenza del reattore) e la fun-zione Ψ (x, y, z) viene rilevata sperimentalmente tramite l’operaz. di mappatura del flusso neu-tronico.

Tutte le radiazioni nucleari, direttamente o indirettamente, producono ionizzazione nella mate-ria. La strumentazione nucleare misura l’entità della ionizzazione prodotta. Per la misura del flus-so neutronico tre flus-sono le principali reazioni che vengono sfruttate: 1) urto elastico dei neutroni contro nuclei di H; 2) reazioni (n, α) con il B; 3) fissione. Il primo tipo di reaz. è applicabile solo ai neutr. veloci di energia pari a 0,1 MeV o più. Il loro passaggio attraverso l’H o composti ricchi di esso causa il trasferimento di larga parte della loro energia ai nuclei di H; ne risulta il movimento di protoni con energia sufficente a produrre considerevole ionizzazione nel loro pas-saggio attraverso un gas. Il secondo e il terzo tipo di reazioni sono applicabili a neutr. lenti (ter-mici). Le reazioni di tali neutroni con il 10B (O-1.2.3) producono nuclei di He e nuclei di Li, en-trambi capaci di provocare ionizzazione. I neutroni termici, inducendo fissione nell’235U provoca-no il movimento dei frammenti di fissione, anch’essi in grado di ionizzare un gas nel loro cam-mino. Le misure di Φ si riducono quindi tutte alla rivelazione di coppie ione-elettrone prodotte in un gas. Per il controllo di un reattore nucleare si rende necessaria la misura rapida della potenza anche a valori bassissimi (O-1.6.10). Si presenta così il problema di avere strumenti in grado di rivelare sia piccolissimi sia grandissimi livelli di ionizzazione. Non esiste possibilità di fare ciò con un unico strumento elettronico soprattutto per due motivi. 1) La misura della potenza del re-attore richiede la misura della sola ionizzazione prodotta (indirettamente) dai neutroni. Durante il funzionamento del reattore sono in esso presenti anche radiazioni α, β e γ. Le prime due non co-stituiscono un problema; anche un sottile foglio di Al è in grado di impedire il loro ingresso nell’interno del rivelatore. Poiché i rivelatori sono costituiti da cilindri metallici a tenuta di gas (il gas di riempimento è quello che viene ionizzato dalle particelle da rivelare), all’interno di essi è libero l’accesso ai neutroni, ma anche alle radiazioni γ che sono ionizzanti. È quindi necessario distinguere fra ionizzazione prodotta indirettamente dai neutroni (è quella che interessa nella

mi-Fig. 33. Avvelenamento del reattore per isotopi diversi dallo 131Xe

P ^V Σf Φ 3,1 10⋅ 10

--- watt =

sura) e quella prodotta dalle radiazioni γ. 2) Dato l’enorme campo di variazione della potenza del reattore (dalle centinaia di μW alle centinaia di MW), uno strumento in grado di funzionare a basse frequenze di conteggio non è più in grado di fornire indicazioni proporzionali alla potenza da misurare quando le frequenze di conteggio superano certi valori e viceversa. Per questi motivi la strumentazione di controllo del reattore può essere divisa in tre grandi categorie: 1) contatori proporzionali; 2) camere a fissione; 3) camere compensate di ionizzazione.

Si ricorda che, se una radiazione ionizzante attraversa un gas in cui sono immersi due elet-trodi metallici mantenuti a un’opportuna differenza di potenziale, si forma un certo numero di coppie di ioni positivi e di elettroni. Il campo elettrico presente fra i due elettrodi fa migrare i primi verso l’elettrodo negativo e i secondi verso quello positivo. Se nel circuito di alimentazione è inserita una resistenza R (fig. 34), essa verrà percorsa, per tutto il tempo impiegato dalle cariche a migrare verso i rispettivi elettrodi, da una corrente i che darà origine a una tensione v ai capi della resistenza R. Se il passaggio delle particelle ionizzanti nel gas avviene con frequenze basse tanto da permettere che fra il passaggio di una particella e quello della successiva il gas si deio-nizzi (in tal caso la corrente i si annulla e la tensione v anche), si è nel campo di funzionamento dei contatori: la corrente i circola a impulsi in R e l’apparecchiatura elettronica conta gli impulsi di tensione v e invia allo strumento un’indicazione proporzionale alla loro frequenza di conteggio. Se invece il passaggio delle particelle ionizzanti nel gas avviene con frequenze alte, il gas del contenitore è continuamente ionizzato e la corrente i circola continuamente in R con intensità pro-porzionale alla ionizzazione presente fra i due elettrodi; si è nel campo di funzionamento delle

camere di ionizzazione: l’apparecchiatura elettronica (che è ora ben diversa da quella necessaria nel caso precedente; può essere costituita, per esempio, da un amplificatore lineare in corrente continua) invia allo strumento un’indicazione proporzionale al valore istantaneo di v o di i.

1) Contatori proporzionali. Sono costituiti da un tubo metallico contenente gli elettrodi e riempito con BF₃ (gassoso), preferibilmente arricchito nel suo isotopo 10B, per la rivelazione di neutroni termici; di H per la rivelazione dei neutroni veloci. Le particelle α emesse nell’interno del contatore nel caso di reazione (n, α) con i neutroni termici e i protoni nel caso di reazione con i neutroni veloci costituiscono le cause ionizzanti. Le radiazioni γ che penetrano nell’interno provocano debole ionizzazione. Gli impulsi di tensione v provocati dalle particelle α nel caso di contatori per neutroni termici e dai protoni nel caso di contatori per neutroni veloci hanno am-piezze molto maggiori di quelli dovuti a radiazioni γ. I circuiti elettronici di rivelazione e conteg-gio sono quindi in grado di distinguere facilmente gli impulsi che debbono essere contati da quel-li spurii. La frequenza di conteggio inviata allo strumento di misura è proporzionale al flusso neu-tronico Φ da misurare.

2) Camere a fissione. L’interno della camera è generalmente rivestito da un composto dell’U, arricchito nel suo isotopo 235. L’ingresso di un neutrone termico produce fissione nel ri-vestimento con liberazione dei frammenti di fissione nell’interno della camera e conseguente io-nizzazione del gas ivi contenuto. Anche in questi contatori gli impulsi dovuti ai frammenti di fis-sione sono nettamente distinguibili da quelli causati da radiazioni γ.

3) Camere compensate di ionizzazione. Se le frequenze di conteggio salgono oltre un certo limite, il gas di riempimento dei contatori non può più deionizzarsi fra un impulso e l’altro e fra gli elettrodi fluisce una corrente continua risultante sia dalla ionizzazione provocata per causa dei neutroni sia da quella provocata direttamente dalla radiazione γ. Tale corrente non può quindi for-nire una misura del flusso neutronico. Una camera compensata ovvia a questo inconveniente. Essa è costituita da due camere in tutto eguali fra loro con l’unica differenza che l’interno di una è rivestito di un composto del B e l’interno dell’altra no. Costruttivamente le due camere si trovano in un unico contenitore e i loro elettrodi sono collegati secondo lo schema di figura 35. In pre-senza di sola radiazione γ fra A e B (cioè nel volume occupato dalla la camera) circola la mede-sima corrente di ionizzazione che circola fra B e C (volume occupato dalla seconda camera). La corrente i di misura (differenza fra le due) è quindi nulla. Se la radiazione γ è invece in presenza anche di flusso neutronico, la corrente di ionizzazione è senz’altro maggiore nella prima camera rispetto alla seconda poiché soltanto nella prima i neutroni, reagendo con il 10B, provocano ulte-riore ionizzazione. Le due correnti non sono più eguali e la loro differenza i dà evidentemente la misura del flusso neutronico. L’apparecchiatura elettronica schematizzata nelle figure 34 e 35 può inviare allo strumento una grandezza elettrica proporzionale al flusso da misurare o una grandezza elettrica proporzionale al logaritmo della grandezza medesima. Nel primo caso si hanno i contato-ri proporzionali lineacontato-ri, le camere a fissione lineacontato-ri e le camere compensate lineacontato-ri, contato- rispettivamen-te. Nel secondo caso si hanno i contatori logaritmici, le camere a fissione logaritmiche, le camere compensate logaritmiche. Il gruppo degli strumenti logaritmici offre il vantaggio, rispetto a quelli lineari, di una buona lettura su tutte le decadi di valori compresi nella loro portata, senza bisogno dell’uso di commutatori i quali si rendono invece necessari negli strumenti lineari per il cambia-mento della scala di lettura. Inoltre, derivando rispetto al tempo, con un opportuno circuito deri-vatore elettronico, la grandezza in uscita da uno strumento logaritmico, si ottiene un’indicazione costante ogni qual volta il reattore sale o scende di potenza a periodo stabile. Si ha così un mi-suratore di periodo che fa parte integrante della strumentazione nucleare di controllo.

Indicando con P₀ la potenza nominale di funzionamento del reattore, si può affermare che va-lori di P inferiori a 10–11P₀ sono fuori portata per ogni tipo di strumento di controllo; valori di

P compresi fra 10–11 P₀ e 10–7 P₀ sono generalmente accessibili ai contatori proporzionali. Il campo da 3 · 10–9P₀ a 3 · 10–5P₀ è controllato normalmente da camere a fissione, mentre per va-lori di potenza fra 10–6 P₀ e P₀ si rendono necessarie camere compensate. Quanto detto è rias-sunto nello schema di figura 36 che ha però valore solamente indicativo in quanto il posiziona-mento degli organi di misura nel reattore gode di una certa arbitrarietà (si può, per esempio, spo-stare un contatore da una zona di flusso alto a una di flusso più basso se la potenza del reattore è troppo alta per essere da esso misurata).