Published January 23, 2024 | Version v1
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Experimental study of columnar recombination in fission chambers

Description

The construction of the Jules Horowitz Reactor (JHR), the development of third generation reactors, and the development of Small Modular Reactors (SMR) have led to a need for more reliable and robust power monitoring. This, in turn, requires more substantial theoretical and experimental study of the physical phenomena at work in the detectors. This work focuses on fission chambers, and more specifically on electron-ion recombination, a disturbing effect that can bias calibration coefficients connecting the measured quantity to the fission rate in detectors. Here, columnar recombination that occurs in ionization traces formed by the passage of heavy ionizing particles is studied in detail. The dynamics of ionization column formation have been simulated to estimate the parameters of column radius and charge density, which have been compared to the assumptions of existing models. Furthermore, the applicability of recombination coefficients available in the literature to the weakly ionized non-equilibrium plasma conditions of ionization columns is discussed. Two experimental campaigns were designed to measure recombination in pure argon. The COREX modular device was designed to investigate columnar recombination and its angular dependence using the Frisch grid method and an alpha deposit. A simulation tool was developed to simulate the operation of this detector and select its parameters. A measurement campaign on the Belgian BR1 reactor was used to study the application of the model to the case of fission chambers, using average charge density parameters. As recombination coefficients are specific to each gas mixture, measurements with other mixtures used in fission chambers will enable this phenomenon to be added to the models describing the operation of these detectors. (author)

Abstract (French)

Avec la construction du reacteur Jules Horowitz (RJH), le developpement des reacteurs de 3eme generation et des petits reacteurs modulaires (SMR), les detecteurs pour le suivi de puissance se doivent d'etre toujours plus fiables et robustes ce qui necessite l'etude theorique et experimentale des phenomenes physiques a l'oeuvre dans les detecteurs. Ce travail s'est concentre sur les chambres a fission et plus particulierement sur la recombinaison electron-ion qui est un effet perturbatif pouvant biaiser les coefficients de calibration reliant la grandeur mesuree au taux de fission dans les detecteurs. Plus specifiquement, la recombinaison de type colonnaire qui se produit dans les traces d'ionisation formees suite au passage de particules lourdes ionisantes est etudiee. La dynamique de formation de la colonne d'ionisation a ete simulee afin de determiner les parametres de rayon de colonne et densite de charge qui ont ete compares aux hypotheses des modeles existants. L'applicabilite des coefficients de recombinaison disponibles dans la litterature aux conditions de plasma hors equilibre faiblement ionise que sont les colonnes d'ionisation est discutee. Deux campagnes experimentales ont ete dimensionnees pour mesurer la recombinaison dans de l'argon pur. Le dispositif modulaire COREX a ete concu pour investiguer la recombinaison colonnaire et sa dependance angulaire avec la methode des grilles de Frisch et un depot alphagene. Un outil de simulation a ete developpe pour simuler le fonctionnement de ce detecteur et selectionner ses parametres. Une campagne de mesure sur le reacteur belge BR1 a permis d'etudier l'application du modele au cas des chambres a fission en utilisant des parametres de densite de charge moyens. Les coefficients de recombinaison etant propres a chaque melange gazeux, des mesures avec d'autres melanges utilises dans les chambres a fission permettront l'ajout de ce phenomene aux modeles decrivant le fonctionnement de ces detecteurs

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Original title (French)
Etude experimentale de la recombinaison colonnaire dans les chambres a fission

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Imprint Pagination
117 p.
Report number
FRCEA-TH--17132

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Notes
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