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Tesis

Desarrollo de centelleadores basados en 6Li para detección de neutrones

2018



TesistaJuan María VALLEDOR DUCO
Ingeniero Industrial - Instituto Tecnológico Buenos Aires - Argentina
Magíster en Ciencia y Tecnología de Materiales - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina
DirectorDr. Horacio Roberto CORTI.   CNEA, UBA, CONICET - Argentina
CodirectorDr. Federico Andrés VIVA.   CNEA, CONICET - Argentina
Lugar de realizaciónDepartamento Física de la Materia Condensada - Gerencia Investigación y Aplicaciones - Centro Atómico Constituyentes - CNEA - Argentina
Fecha Defensa08/05/2018
JuradoDra. Mariela DEL GROSSO.   CNEA, UTN, CONICET - Argentina
Lic. Marcelo Eduardo MILLER.   CNEA, UNSAM - Argentina
Dr. Eduardo NASSIF.   INVAP - Argentina
CódigoITS/TM 193/18

Título completo

Desarrollo de centelladores basados en 6Li para detección de neutrones

Resumen

Los centelladores son dispositivos que emiten luz cuando son alcanzados por radiación ionizante o partículas cargadas. Pueden ser utilizados como detectores de neutrones mediante la adición de isótopos con una alta sección eficaz para la reacción de captura neutrónica. Dentro de los isótopos más utilizados para este fin se encuentra el 6Li (litio-6), cuya abundancia isotópica natural es de aproximadamente 7%. La fabricación de centelladores eficientes normalmente requiere compuestos enriquecidos en litio-6. La técnica más utilizada para el enriquecimiento de litio involucra el uso de mercurio (Hg), con los riesgos ambientales asociados. En las últimas décadas, y dado que el litio-6 juega un rol clave en el futuro desarrollo de reactores de fusión nuclear, se han investigado métodos de enriquecimiento alternativos; entre ellos, las técnicas electroquímicas muestran resultados prometedores.

En este trabajo, como paso previo al desarrollo de centelladores, se ensayaron dos técnicas de enriquecimiento isotópico de litio: (i) inserción electroquímica en materiales tipo “hard carbon”, bajo condiciones no reportadas previamente, y (ii) electrodeposición sobre Ni, reproduciendo trabajos publicados.

Los detectores de neutrones basados en centelladores son utilizados principalmente para: (i) obtención de imágenes a partir de irradiación con neutrones (“neutrografía”), una técnica no destructiva que permite estudiar la microestructura de los materiales, brindando información adicional a las técnicas convencionales de radiografía o gammagrafía; (ii) instrumentación y control de reactores nucleares, y (iii) detectores de materiales nucleares para controles de seguridad de fronteras.

El desarrollo de placas centelladoras para neutrografía es de particular importancia en el marco del proyecto LAHN (Laboratorio Argentino de Haces de Neutrones), a construirse en el futuro reactor nuclear de investigación RA-10, ya que permitiría ajustar las características de los detectores a las necesidades del proyecto.

En el presente trabajo, se fabricaron placas centelladoras para obtención de imágenes y para su uso como detectores de neutrones, utilizando una formulación conocida, basada en litio-6 y ZnS, y otras formulaciones alternativas. Se ensayaron distintas técnicas de aplicación de las películas centelladoras, identificando las variables relevantes, y se evaluaron los resultados obtenidos.

Las placas centelladoras para obtención de imágenes fueron ensayadas en el RA-6 (CAB-CNEA), comparando su desempeño con placas centelladoras comerciales. Los centelladores usados como detectores de neutrones fueron ensayados con una fuente de neutrones de laboratorio en CAE-CNEA para evaluar su potencial aplicación para la medición de flujos neutrónicos, comparando su desempeño con un detector tipo “cámara de fisión”.

Palabras clave: centelladores, litio-6, enriquecimiento isotópico, intercalación, inserción electroquímica, “hard carbon”, electrodeposición sobre Ni, ZnS, neutrografía, detección de neutrones.

Complete Title

Development of lithium-6 based scintillators for neutron detection

Abstract

Scintillators are devices that emit light when reached by ionizing radiation or charged particles. They might be used as neutron detectors by adding isotopes with high neutron-capture cross sections. Among the most common of such isotopes is  6Li (lithium-6), with a natural isotopic abundance of around 7%. Fabrication of efficient scintillators normally requires lithium-6 enriched compounds. The most extensively used lithium enrichment technique involves the use of mercury (Hg), with its associated environmental risks. In the last decades, as lithium-6 plays a key role in the future development of nuclear fusion reactors, alternative enrichment methods have been researched; among them, electrochemical techniques show promising results.

In this work, as a previous step to scintillator development, two lithium enrichment techniques were tested: (i) electrochemical insertion in “hard carbon” type materials, under conditions not previously reported, and (ii) electrodeposition on Ni, reproducing published papers.

Neutron detectors based on scintillators are mainly used for: (i) neutron imaging, a non-destructive technique which allows studying the microstructure of materials, providing information beyond traditional X-ray or gamma-ray techniques; (ii) instrumentation and control of nuclear reactors, and (iii) nuclear material detectors for border security control.

Development of scintillators for neutron imaging is particularly important for the LAHN (Laboratorio Argentino de Haces de Neutrones) project, to be built in the future RA-10 nuclear research reactor, as it would allow to fine-tune each detector’s features to the specific needs of the project.

In the present work, scintillator screens for neutron imaging and neutron detection were built, using a known formulation based on lithium-6 and ZnS, and other alternative formulations. Different film application techniques were tested, identifying relevant variables, and results were evaluated.

Scintillator screens for neutron imaging were tested in the RA-6 (CAB-CNEA) research reactor, comparing their performance against commercial scintillator screens. Scintillators used as neutron detectors were tested with a laboratory neutron source at CAE-CNEA to evaluate their potential application for neutron flux measurement, comparing their performance against a “fission-chamber” type detector.

Keywords: scintillators, lithium-6, isotopic enrichment, intercalation, electrochemical insertion, “hard carbon”, electrodeposition on Ni, ZnS, neutron imaging, neutron detection.


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