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

Resumo Técnico: Efeitos Térmicos Induzidos pela Operação do Reator nas Medições de Fluxo de Nêutrons

Definição do Problema
Este estudo aborda uma redução estatisticamente significativa e dependente do tempo nas taxas de contagem de nêutrons medidas no reator de pesquisa TRIGA Mk II no Atominstitut, TU Wien. Durante a operação em estado estacionário a uma potência nominal de 250 kW, os detectores de nêutrons registraram uma diminuição nas taxas de contagem de aproximadamente 1,5% a 3,0% ao longo de um período de 2 a 2,5 horas após o início do reator. Este fenômeno representa um desafio potencial para experimentos de alta precisão que dependem de condições estáveis de fluxo de nêutrons, como interferometria de nêutrons ou experimentos de espalhamento usando técnicas de varredura, onde a estabilidade temporal é crítica.

Metodologia
A investigação utilizou uma abordagem experimental multifacetada para caracterizar o efeito e identificar suas origens:

• Instrumentação: O fluxo de nêutrons foi medido utilizando detectores de proporção preenchidos com $^3$He (VacuTec 70 063 e Canberra 24NH15) em quatro localizações distintas: um tubo de feixe tangencial, um tubo de feixe radial, uma sala de irradiação seca e uma coluna térmica. Medições simultâneas de temperatura foram conduzidas utilizando termopares do Tipo K posicionados na ranhura do refletor de grafite e no topo do refletor, juntamente com dados dos sensores de água da piscina PT100 internos do reator.
• Condições Operacionais: As medições foram realizadas em vários níveis de potência (5 kW, 100 kW e 250 kW) e configurações, incluindo corridas com resfriamento ativo e corridas com o resfriamento desativado.
• Análise de Dados: As contagens de nêutrons foram adquiridas em intervalos de 60 segundos. A evolução temporal das taxas de contagem e das temperaturas foi analisada usando ajustes exponenciais ($f(t) = ae^{-bt} + c$) e ajustes lineares quando apropriado. As incertezas estatísticas foram calculadas com base em processos de Poisson, com erros estatísticos típicos em torno de 0,12%, significativamente menores do que as reduções observadas na taxa de contagem.

Principais Resultados

• Anti-correlação: Uma anti-correlação clara e estatisticamente significativa foi identificada entre a temperatura da piscina do reator e a taxa de contagem de nêutrons registrada. À medida que a temperatura aumentava durante a fase de equilíbrio térmico do reator, a taxa de contagem diminuía.
• Distribuição Espacial: O efeito de redução foi observado no tubo de feixe tangencial, no tubo de feixe radial e na sala de irradiação seca, sugerindo um fenômeno em todo o reator em vez de um problema localizado no tubo de feixe.
• Exceção da Coluna Térmica: O efeito não foi observável na posição da coluna térmica. Os autores atribuem isso à construção única da coluna térmica (um grande conjunto de tijolos de grafite), que permite que os nêutrons alcancem o equilíbrio térmico próximo à temperatura ambiente antes de saírem, mitigando o efeito de deslocamento espectral.
• Dependência do Resfriamento: Corridas conduzidas sem resfriamento ativo em baixa potência (5 kW) mostraram uma taxa de contagem constante e um aumento de temperatura negligenciável, apoiando ainda mais a hipótese de que a redução da taxa de contagem é impulsionada pelo aumento da temperatura.
• Ajuste Quantitativo: O comportamento temporal da redução da taxa de contagem foi bem descrito por uma função de decaimento exponencial com uma constante de tempo ($b$) de aproximadamente $1,5 \times 10^{-2}$ a $1,98 \times 10^{-2}$ min$^{-1}$, correspondendo à duração de 2–2,5 horas do efeito.

Origens e Mecanismos Propostos
Os autores propõem que a redução observada na taxa de contagem não reflete necessariamente uma diminuição no fluxo total de nêutrons, mas sim um deslocamento do espectro de energia dos nêutrons para energias mais altas. À medida que os componentes do reator (elementos de combustível, água de resfriamento e refletor de grafite) aquecem, a termalização dos nêutrons pode ser alterada. Como a eficiência de detecção dos detectores de $^3$He para nêutrons térmicos é inversamente proporcional à raiz quadrada da energia do nêutron ($\propto 1/\sqrt{E}$), um deslocamento para energias ligeiramente mais altas resultaria em uma taxa de contagem medida menor.

Significância e Conclusões
O artigo conclui que a operação do reator induz uma variação da taxa de contagem de nêutrons dependente da temperatura que deve ser considerada para medições de alta precisão em reatores TRIGA Mk II. Embora o efeito integral ao longo de um dia inteiro de operação do reator seja inferior a 1%, a mudança de ordem percentual ocorrendo nas primeiras 2,5 horas pode comprometer experimentos que exigem condições estáveis durante a aquisição de dados.

Os autores afirmam modestamente que seus resultados atuais não permitem o isolamento definitivo do componente específico (combustível, água ou refletor) responsável pelo acoplamento térmico devido à natureza complexa e acoplada do sistema do reator. Consequentemente, o artigo sugere que:

1. Estes resultados devem ser reproduzidos em outras instalações TRIGA Mk II para determinar se o efeito é universal ou específico do projeto.
2. Investigações futuras devem incluir medições de tempo de voo (time-of-flight) para observar diretamente os deslocamentos espectrais e o monitoramento preciso da temperatura de componentes individuais do reator.
3. Experimentos de alta precisão devem implementar monitores de nêutrons para permitir correções durante a análise de dados.

O estudo enfatiza que compreender este efeito é crucial para manter a integridade das medições relativas de taxa de contagem em aplicações de pesquisa e treinamento em reatores TRIGA.