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Tesis:

Caracterización teórico-experimental de nuevos sistemas de detección de neutrones para el control de mercancías en fronteras y puntos críticos

  • Autor: GUZMÁN GARCÍA, Karen Arlet

  • Título: Caracterización teórico-experimental de nuevos sistemas de detección de neutrones para el control de mercancías en fronteras y puntos críticos

  • Fecha: 2017

  • Materia: Sin materia definida

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: INGENIERIA ENERGETICA

  • Acceso electrónico: http://oa.upm.es/47656/

  • Director/a 1º: GALLEGO DÍAZ, Eduardo F.
  • Director/a 2º: VEGA CARRILLO, Héctor René

  • Resumen: En la lucha contra el terrorismo nuclear, una de las principales líneas de defensa es el control de las mercancías y de personas que entran y salen de cada país por las aduanas y puntos fronterizos (terrestres, marítimos, aéreos). Para realizar dicho control suelen emplearse Monitores de Radiación tipo Pórtico, “Radiation Portal Monitors, RPM”. Estos dispositivos forman parte de la “Second Line of Defense, SLD”, segunda línea de defensa del programa de seguridad del Departamento de defensa de los EE.UU., que también se instalan en distintas partes del mundo. En España se han implementado sistemas para la detección de materiales radiactivos y nucleares en los puertos marítimos de Algeciras, Valencia y Barcelona mediante la iniciativa Megaports. Los RPM son un conjunto de detectores que miden las emisiones gamma y de neutrones de las mercancías o de las personas cuando pasan, sin detenerse, por las aduanas. El uso de detectores de neutrones está justificado para permitir la detección de los llamados "Special Nuclear Materials" SNM; materiales nucleares especiales como por ejemplo el 239Pu utilizado para construcción de armas de destrucción masiva. Los detectores de neutrones utilizados en los RPM son contadores proporcionales de gas de 3He de gran superficie colocados dentro de una caja de polietileno de alta densidad, “High Density Polyethylene” HDPE, que actúa como moderador de neutrones, y que se caracterizan por su alta eficiencia de detección de neutrones. A finales de la pasada década empieza la escasez mundial en el abastecimiento de 3He y se comienza la búsqueda de nuevas tecnologías alternativas a dichos detectores. El objetivo principal de esta tesis doctoral es el estudio de nuevos detectores de neutrones de gran superficie, para suplementar o sustituir los actuales detectores de 3He que se instalan en los RPM. Los detectores bajo estudio se basan en detectores de centelleo empleados en la detección de partículas , de ZnS(Ag), mezclado con 10B de alto enriquecimiento, 10B+ZnS(Ag). Los neutrones reaccionan en el detector en una o varias capas sensibles de 10B+ZnS(Ag), específicamente con el 10B, emitiendo una partícula  y un núcleo de 7Li de retroceso, 10B(n, )7Li, que son detectados por el ZnS(Ag). Mediante métodos de Monte Carlo, con los códigos MCNP5, MCNPX y MCNP6, se han estimado las respuestas de diferentes geometrías de detectores para 29 fuentes monoenergéticas de neutrones con valores entre 10-9 a 20 MeV, así como para fuentes isotópicas de neutrones de 241AmBe y 252Cf. Se evalúa su respuesta en cuentas por segundo por cada nanogramo de material sensible, cps/ng para una fuente de 252Cf, a una distancia de más de 200 cm, calculando las reacciones que ocurren en el 10B. En la tesis se han desarrollado diferentes modelos basados en distintas geometrías y condiciones de trabajo de los detectores. En estos modelos se busca lograr una eficiencia mínima fijada por la norma ANSI N42.35 de modo que el RPM sea capaz de detectar el paso de una fuente de 252Cf de 20.000 n/s a 200 cm; equivalente, según estudios realizados por el Pacific Northwest National Laboratory, a una eficiencia de detección mayor de 2,5 cps/ng 252Cf a 200 cm según eficiencia actual de los detectores de 3He. Con el código MCNP6 se evalúa el caso en el que distintos materiales SNM, (239Pu, “Highly Enriched Uranium” HEU al 70% y 94%, 252Cf) dentro un vehículo de transporte pasan en aduanas ante cuatro distintos RPM incorporando detectores de 10B+ZnS(Ag). Con un conjunto de modelos y medidas presentados en esta tesis se verifica que los detectores de neutrones de 10B+ZnS(Ag) son una alternativa interesante y válida para remplazar los detectores de 3He. ----------ABSTRACT---------- In homeland security, one of the main lines of defense against nuclear terrorism is the control at borders of goods and persons entering and leaving customs (land, sea, air) by means of Radiation Portal Monitors, RPM. These devices are part of the "Second Line of Defense, SLD", of the program of the U.S. Department of Defense, which are installed in different parts of the World too. In Spain, through the initiative Megaports, they are implemented in the ports of Algeciras, Valencia and Barcelona. RPMs were designed to detect traces of radiation emitted from an object passing through them with the purpose of intercepting illicit traffic of nuclear or radioactive materials. RPMs usually consist on a set of gamma-ray and neutron detectors. Neutron detectors are used for Special Nuclear Materials (SNM) detection, like 239Pu, with large size 3He proportional counters widely used, that are placed inside of a polyethylene box of high density, HDPE. 3He detectors are characterized by having high efficiency for neutron detection. However, since late the last decade, 3He shortage worldwide has encouraged searching for alternative neutron detectors. The aim of this thesis is to study the features of alternative new neutron detectors of 10B+ZnS(Ag), that are based on a scintillator detector design to detect particles , ZnS(Ag) mixed with highly enriched 10B. Neutrons experiment a reaction with the 10B of the detector, 10B(n,)7Li, emitting an  particle and 7Li, which are detected by the ZnS(Ag). Using Monte Carlo methods, with MCNP5, MCNPX and MCNP6 codes, the responses of different detectors with variable geometries have been estimated for 29 monoenergetic neutron sources with values from 10-9 to 20Mev, also, for two isotopic neutron sources of 241AmBe and 252Cf. The response in counts per second per nanogram of sensitive material, cps/ng from a moderated neutron source of 252Cf at a distance of more than 200 cm, has been also calculated through the reactions that occur in the 10B. Different models were developed based in distinct cases, indoors, outdoors, and different geometries. These detectors are studied to achieve at least the efficiency established by the ANSI 42.35 Standard, so that be able to detect a neutron source of 252Cf of 20.000 n/s passing through the detector at more than 200 cm distance, which requires an efficiency higher than 2,5 cps/ng 252Cf at 200 cm, according to studies carried out in Pacific Northwest National Laboratory. With the MCNP6 code, the case of different SNM (239Pu, "Highly Enriched Uranium" HEU at 70% and 94%, 252Cf) is evaluated inside a customs transport vehicle passing in front of four different RPMs with 10B+ZnS(Ag) detectors. With a set of models and measurements we verified that these neutron detectors of 10B+ZnS(Ag) are an interesting and valid alternative to replace 3He detectors installed in the RPMs at borders.