REVISÃO DE TRABALHOS E PROPOSTA DE EXPLORAÇÃO DA TÉCNICA DE NEUTRONGRAFIA NO REATOR TRIGA IPR-R1 DO CDTN

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1 REVISÃO DE TRABALHOS E PROPOSTA DE EXPLORAÇÃO DA TÉCNICA DE NEUTRONGRAFIA NO REATOR TRIGA IPR-R1 DO CDTN Antonella Lombardi Costa, Valter Alves de Amorim, Roberto Stasiulevicius e Zildete Rocha Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear - CDTN Serviço de Reator e Radioanálise Av. Mário Werneck, s/n, Campus UFMG, Pampulha CEP Belo Horizonte, MG, Brasil RESUMO A Neutrongrafia (Neutron Radiography - NR) consiste em obter, sobre uma placa sensível, a imagem produzida por um fluxo de nêutrons após atravessar um objeto. Através da NR é possível inspecionar materiais constituídos por plásticos, explosivos e compostos orgânicos, difíceis de serem analisados pela técnica radiográfica. Após concluída a implantação do extrator de nêutrons no reator TRIGA IPR-R1 do CDTN - que possibilitará a obtenção de uma densidade de fluxo de nêutrons da ordem de 10 6 nêutrons.cm -2.s -1, a aproximadamente 3,6 metros do núcleo do reator - será implementada a técnica de Neutrongrafia no CDTN. Este trabalho apresenta resultados preliminares das pesquisas sobre NR realizadas há alguns anos no CDTN as quais já estão sendo retomadas. Keywords: neutron radiography, TRIGA, IPR-R1, neutron beam, collimator. I. INTRODUÇÃO A técnica de Neutrongrafia iniciou-se nos anos trinta, mas somente cerca de uma década depois utilizou-se o reator nuclear como fonte de nêutrons com melhores resultados práticos. A NR, além de complementar imagens obtidas por raio-x ou gamagrafia, também pode ser utilizada para: inspeção em componentes eletrônicos, verificação de enriquecimento em combustíveis nucleares, constatação de propelentes em armamentos, detecção de defeitos em componentes metálicos onde existam óleos, borrachas ou plásticos, aplicações biológicas, inspeção em metais pesados e espessos, inspeção em soldas, entre outras aplicações. Na década de 70, no CDTN, iniciaram-se estudos para o desenvolvimento de um equipamento extrator de nêutrons com o objetivo de trazer à tona do poço do reator um feixe de nêutrons térmicos para ser utilizado para vários fins [1]. A fonte de nêutrons utilizada era o reator TRIGA IPR-R1 cuja potência máxima de operação, na época, era 100 kw. Atualmente, esse valor foi elevado para 250 kw [2] e estima-se que a densidade de fluxo de nêutrons seja da ordem de nêutrons.cm -2.s -1 próximo ao núcleo. O reator utiliza como combustível o urânio enriquecido a 20% e como moderador principal, o hidreto de zircônio. O núcleo possui refletor de grafita e é refrigerado a água leve desmineralizada que serve também como blindagem biológica e moderador adicional [3]. Após instalado o extrator de nêutrons, iniciaram-se algumas medidas neutrongráficas cujos resultados ficaram registrados somente como notas técnicas [4, 5]. Não houve prosseguimento das pesquisas, pois as mesmas não estavam entre as prioridades do centro na época (NUCLEBRÁS); porém, através da experiência adquirida no passado e de dados atuais, estão sendo retomados os estudos sobre Neutrongrafia. II. PROCESSO NEUTRONGRÁFICO Para a realização da NR, existem dois métodos mais utilizados: o método direto e o método indireto. No método direto, o filme permanece em contato com o conversor durante a irradiação neutrônica, enquanto no segundo método, somente o conversor é exposto ao feixe de nêutrons e posteriormente se estabelece seu contato com o filme. A atividade de um conversor de seção eficaz microscópica σ e constante de desintegração λ irradiado durante ti segundos sob um fluxo de φ é [6]: A(ti) = N σ φ (1 - e -λ.ti ) [des./s], (1) onde N representa o número de átomos do isótopo constituinte do conversor capaz de ser ativado. Quando cessa a irradiação, a atividade é então: A(t, ti) = As (1 - e -λ.ti ) e -λt, (2)

2 onde As é a atividade de saturação do conversor, ou seja, a atividade do conversor irradiado durante um tempo ti >> λ - 1. Um conversor com λ muito grande, alcançará a saturação rapidamente e se desativará também rapidamente ao ser retirado da irradiação. Assim, tal conversor não é interessante para o método indireto, mas sim para o método direto. Ao contrário, se λ é pequeno, será necessário muito tempo para atingir a saturação. Em compensação, ao ser retirado da irradiação, sua atividade diminuirá lentamente, ou seja, conversor próprio para o método indireto. Assim, o método indireto exige tempo de exposição muito maior podendo inutilizar a peça inspecionada, além de imprimir uma imagem com menor intensidade, porém este método é importante em determinados trabalhos. As Fig. 2.1 e 2.2 mostram neutrongrafias de alguns objetos, feitas no reator IPR-R1 em 1987 [5], onde se percebe nitidamente como as técnicas são complementares fazendo-se a comparação com o raio-x dos mesmos objetos. A técnica de NR é considerada complementar à técnica de radiografia porque os nêutrons térmicos são atenuados por elementos de baixo número atômico Z e os raios-x e gamas são atenuados por elementos de alto Z. As NRs foram feitas através do método direto utilizando-se o gadolínio metálico como conversor. O cassete, hermético à luz, foi construído em alumínio. Dentro do cassete, foi inserido o filme Kodak tipo AA-5 e, em contato direto com este, foi colocada uma lâmina de gadolínio de 0,1 mm de espessura. O cassete foi sobreposto ao objeto a ser irradiado e ambos foram posicionados dentro do tubo extrator a 3,62 metros do núcleo do reator. O canal extrator de nêutrons do CDTN foi construído a partir de tubos de alumínio de 2 mm de espessura de parede com diâmetros de 10 e 15 cm e comprimento de 525 cm. Ao longo do tubo, estão fixados lastros de chumbo revestidos em chapa de alumínio. Para atenuar o feixe colimado de radiação gama e de nêutrons, foi construída uma blindagem com parafina borada, chumbo, aço e cádmio revestida com alumínio. O tempo de exposição, em todos os testes, não ultrapassou a 5 minutos sob uma densidade de fluxo de, aproximadamente, 1,68 x 10 6 n.cm -2.s -1. Observando a Fig. 2.1 (a), nota-se que os materiais leves, como os plásticos, não são vistos na radiografia. Na Figura 2.2 (a), o exame por raio-x é mais nítido porém não revela a presença de pólvora dentro do invólucro do projétil. Assim, a NR torna possível inspecionar materiais constituídos por plásticos, explosivos e compostos orgânicos, difíceis de serem analisados pela técnica radiográfica. (a) (b) Figura 2.1. (a) Raio-X de: um retentor de borracha, uma lâmina de cádmio, um interruptor de plástico e um frasco de polietileno; densidade de fluxo térmico: 1,68 x 10 6 n.cm -2.s -1 [5]. (b) Exame por NR para os mesmos objetos [5].

3 Sabe-se que o coeficiente de atenuação mássico do hidrogênio para nêutrons é muito alto, ou seja, a intensidade de um feixe de nêutrons é altamente atenuada quando este passa através de um material altamente hidrogenado como, por exemplo, a água. A água, inclusive, é um dos moderadores de nêutrons mais utilizados em reatores nucleares. Assim, obter NRs de animais vivos é extremamente difícil. Entretanto, tem sido estudada, no Japão, a possibilidade de aplicação da NR para produzir imagens do interior de animais, principalmente os órgãos do tórax, ossos e cartilagens [7]. A dificuldade encontrada está em distinguir os contornos de órgãos dos abdomens das cobaias devido à sensibilidade insuficiente dos detectores aos nêutrons e múltiplos espalhamentos dos nêutrons em meios hidrogenados. Assim, para aplicação da NR na área biomédica, deve-se utilizar detectores mais sensíveis a nêutrons e menos sensíveis à radiação gama; além disso, deve-se diminuir ou corrigir múltiplos espalhamentos dos nêutrons pelo alvo de irradiação. (a) No CDTN ainda não foram realizadas NRs de cobaias, porém foram feitas algumas imagens de materiais biológicos. As Fig. 2.3 e 2.4 mostram, respectivamente, neutrongrafias de um osso de galinha e de duas folhas vegetais [5]. Figura 2.3. NR de um osso de ante-coxa de galinha. Tempo de exposição: 3,5 minutos; densidade defluxo térmico: 1,68 x 10 6 n.cm -2.s -1 [5]. (b) Figura 2.2. (a) Raio-X de um projétil de revólver calibre 38. (b) NR do mesmo projétil [5].

4 que a técnica de NR é viável, produz qualidade relativamente boa de imagem e está sendo retomada no CDTN. Para implementar o sistema, pretende-se instalar um sistema paralelo de geração de imagem. A NR obtida através de imagem eletrônica tem sido utilizada, não só por oferecer maior alcance dinâmico como também por facilitar as operações de digitalização da imagens [8, 9]. O sistema possibilitará visualização mais rápida da imagem neutrongráfica que é formada. O canal extrator de nêutrons já foi reinstalado no reator IPR-R1 do CDTN, e a exploração da técnica de Neutrongrafia já está em fase inicial. Ao CNPq pelo apoio. AGRADECIMENTOS REFERÊNCIAS [1] SILVA, C. A. F. A.; AFFONSO, T.; SILVA, V. M. de A.; O Extrator de Nêutrons do Reator IPR-R1, Nota Técnica DR-46, julho [2] SOUZA, R. M. G. P., RESENDE, M. F. R., Experimentos propostos a 100 kw e a 250 kw para o Aumento de Potência do Reator IPR-R1, Nota Interna NI-AT4-005/98, CNEN/CDTN, setembro [3] SANTOS, A. N., TUPINAMBÁ, G. A. C., CAMPOS, M. M., SOBRINHO, S. P., Curso de Treinamento de Operadores em Reatores de Pesquisa, Vol. 1, 5ª edição, CDTN/CNEN, março Figura NR de folhas vegetais: acima, uma folha de hibisco (espessura 0,2 mm, tempo de exposição = 4 minutos) e abaixo uma folha de saião (tempo de exposição = 3,5 minutos), fluxo térmico: 1,68 x 10 6 n.cm -2.s -1 [5]. III. CONCLUSÕES E ETAPAS FUTURAS A NR, como foi visto, pode ser muito útil nos dias atuais, principalmente devido à sua capacidade de identificar explosivos ocultos em materiais. Assim, é possível utilizar o sistema neutrongráfico em terminais aeoroviários, por exemplo, para verificação de bagagens. Evidentemente, neste caso, a fonte de nêutrons deve ser substituída por uma fonte isotópica ou por um pequeno acelerador após terem sido feitos todos os ajustes devidos no sistema utilizando o fluxo de nêutrons do reator proveniente do canal extrator. Os estudos realizados no passado, demonstraram [4] AMORIM, V. A., Construção e Instalação de um Protótipo de Extrator de Nêutrons no Reator IPR-R1, Nota Técnica DEAT.CN - 002/87, março [5] AMORIM, V. A., Implantação e Desenvolvimento da Técnica de Neutrongrafia no Reator IPR-R1, Nota Técnica DEAT.CN - 003/87, abril [6] BOSCH, V. A., La Neutrografia - Presentación de un nuevo método de ensayo no destrutivo, Energia Nuclear, novembro-dezembro/1974. [7] KATO, K., MATSUMOTO, G., KARASAWA, Y., NIIMURA, N., MATSUBAYASHI, M., TSURUNO, A., Neutron Radiography of Thick Hidrogenous Materials with use of an Imaging Plate Neutron Detector, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 377, [8] KURETA, M., AKIMOTO, H., HIBIKI, T., MISHIMA, K., Void Fraction Measurement in Subcooled-Boiling

5 Flow Using High-Frame-Rate Neutron Radiography, Nuclear Technology, Vol. 136, novembro [9] MOCHIKI, K. et al., Eletronic Imaging Sistem Using a High-performance HARPICON Tube for Neutron Radiography, Nuclear Instruments and Physics Research, A 377, after crossing an object. Through NR is possible to inspect plastics and explosives materials and organic composition. Is difficult to analyze these materials by the radiography technique. The neutron beam extractor was installed, in the TRIGA IPR-R1 reactor at the CDTN. This work presents preliminaries results of the NR researches in the past at CDTN, which are being retaken. ABSTRACT Neutron Radiography - NR - consists of obtaining on a sensitive plate, the image produced by neutron flux