Reactor operation induced thermal effects on neutron flux measurements using $^3$He neutron detectors at a TRIGA Mk II research reactor

Resumen Técnico: Efectos Térmicos Inducidos por la Operación del Reactor en las Mediciones del Flujo de Neutrones

Planteamiento del Problema
Este estudio aborda una reducción estadísticamente significativa y dependiente del tiempo en las tasas de conteo de neutrones medidas, observada en el reactor de investigación TRIGA Mk II en el Atominstitut, TU Wien. Durante la operación en estado estacionario a una potencia nominal de 250 kW, los detectores de neutrones registraron una disminución en las tasas de conteo de aproximadamente un 1,5% a un 3,0% durante un periodo de 2 a 2,5 horas tras el arranque del reactor. Este fenómeno plantea un desafío potencial para experimentos de alta precisión que dependen de condiciones de flujo de neutrones estables, tales como la interferometría de neutrones o experimentos de dispersión utilizando técnicas de escaneo, donde la estabilidad temporal es crítica.

Metodología
La investigación utilizó un enfoque experimental multifacético para caracterizar el efecto e identificar sus orígenes:

• Instrumentación: El flujo de neutrones se midió utilizando detectores de gas proporcionales llenos de $^3$He (VacuTec 70 063 y Canberra 24NH15) en cuatro ubicaciones distintas: un tubo de haz tangencial, un tubo de haz radial, una sala de irradiación seca y una columna térmica. Se realizaron mediciones simultáneas de temperatura utilizando termopares de Tipo K posicionados en la ranura del reflector de grafito y en la parte superior del reflector, junto con datos de los sensores de agua de la piscina PT100 internos del reactor.
• Condiciones Operativas: Las mediciones se realizaron en varios niveles de potencia (5 kW, 100 kW y 250 kW) y configuraciones, incluyendo ejecuciones con refrigeración activa y ejecuciones con la refrigeración desactivada.
• Análisis de Datos: Los conteos de neutrones se adquirieron en intervalos de 60 segundos. La evolución temporal de las tasas de conteo y las temperaturas se analizó mediante ajustes exponenciales ($f(t) = ae^{-bt} + c$) y ajustes lineales cuando fue apropiado. Las incertidumbres estadísticas se calcularon basándose en procesos de Poisson, con errores estadísticos típicos de alrededor del 0,12%, significativamente inferiores a las reducciones observadas en la tasa de conteo.

Resultados Clave

• Anticorrelación: Se identificó una anticorrelación clara y estadísticamente significativa entre la temperatura del pozo del reactor y la tasa de conteo de neutrones registrada. A medida que la temperatura aumentaba durante la fase de equilibración térmica del reactor, la tasa de conteo disminuía.
• Distribución Espacial: El efecto de reducción se observó en el tubo de haz tangencial, el tubo de haz radial y la sala de irradiación seca, lo que sugiere un fenómeno de todo el reactor en lugar de un problema localizado en un tubo de haz.
• Excepción de la Columna Térmica: El efecto no fue observable en la posición de la columna térmica. Los autores atribuyen esto a la construcción única de la columna térmica (un gran ensamblaje de ladrillos de grafito), que permite que los neutrones alcancen un equilibrio cercano a la temperatura ambiente antes de salir, mitigando así el efecto de desplazamiento espectral.
• Dependencia de la Refrigeración: Las ejecuciones realizadas sin refrigeración activa a baja potencia (5 kW) mostraron una tasa de conteo constante y un aumento de temperatura insignificante, lo que respalda aún más la hipótesis de que la reducción de la tasa de conteo es impulsada por los aumentos de temperatura.
• Ajuste Cuantitativo: El comportamiento temporal de la reducción de la tasa de conteo fue bien descrito por una función de decaimiento exponencial con una constante de tiempo ($b$) de aproximadamente $1,5 \times 10^{-2}$ a $1,98 \times 10^{-2}$ min$^{-1}$, lo que corresponde a la duración del efecto de 2 a 2,5 horas.

Orígenes y Mecanismos Propuestos
Los autores proponen que la reducción observada en la tasa de conteo no refleja necesariamente una disminución en el flujo total de neutrones, sino más bien un desplazamiento en el espectro de energía de los neutrones hacia energías más altas. A medida que los componentes del reactor (elementos de combustible, agua de refrigeración y reflector de grafito) se calientan, la termalización de los neutrones puede verse alterada. Dado que la eficiencia de detección de los detectores de $^3$He para neutrones térmicos es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la energía del neutrón ($\propto 1/\sqrt{E}$), un desplazamiento hacia energías ligeramente más altas resultaría en una tasa de conteo medida más baja.

Significancia y Conclusiones
El artículo concluye que la operación del reactor induce una variación de la tasa de conteo dependiente de la temperatura que debe ser considerada para mediciones de alta precisión en reactores TRIGA Mk II. Si bien el efecto integral durante un día completo de operación del reactor es inferior al 1%, el cambio del orden de magnitud porcentual que ocurre dentro de las primeras 2,5 horas puede comprometer los experimentos que requieren condiciones estables durante la adquisición de datos.

Los autores declaran modestamente que sus resultados actuales no permiten el aislamiento definitivo del componente específico (combustible, agua o reflector) responsable del acoplamiento térmico debido a la naturaleza compleja y acoplada del sistema del reactor. En consecuencia, el documento sugiere que:

1. Estos resultados deben ser reproducidos en otras instalaciones de TRIGA Mk II para determinar si el efecto es universal o específico del diseño.
2. Las investigaciones futuras deben incluir mediciones de tiempo de vuelo para observar directamente los desplazamientos espectrales y un monitoreo preciso de la temperatura de los componentes individuales del reactor.
3. Los experimentos de alta precisión deben implementar monitores de neutrones para permitir correcciones durante el análisis de datos.

El estudio enfatiza que comprender este efecto es crucial para mantener la integridad de las mediciones relativas de tasa de conteo en aplicaciones de investigación y formación en reactores TRIGA.