Brevet FR2086251A1 — publié le 19711231

La présente invention concerne un dispositif pour le contrôle ou la mesure des radiations comportant plusieurs chambres contenant deux gaz différents, l'une ayant une section efficace importante de capture des particules et l'autre ayant une section Lr efficace plus faible de capture des particules. La mesure de la différence de pression entre les deux chambres fournit une indication représentant la densité de flux de la radiation nucléaire ou des particules nucléaires chargées ou non chargées. Pour le contrôle et la commande des réacteurs nucléai-* 10 res, il est désirable que certains des détecteurs ne soient pas électriques pour des raisons de sûreté. L'avantage d'un détecteur non électrique est en particulier qu'il ne dépend pas dé l'alimentation électrique èxtérieure et qu'il ne comporte pas de conducteurs électriques isolés pouvant devenir défectueux du fait 15 de l'exposition aux radiations dans le réacteur. Pour être utile, tout détecteur de radiations nucléaires, qu'il soit électrique ou non, doit (a) avoir une réponse rapide, c'est-à-dire répondre très rapidement aux variations du flux, (b) être formé de matériaux de construction assurant une longue vie du détecteur et (c) 20 doit pouvoir fonctionner quand le réacteur est à pleine puissance. Jusqu'ici, le thermocouple à neutrons ou thermopiles à bore est probablement le détecteur de flux de neutrons le plus utilisé (après les chambres à ionisation et les compteurs) dans un réacteur nucléaire. Ce dispositif est habituellement une ther-25 mopile en Chromel-Alumel avec des dépôts de bore-10 à chaque jonction chaude. En raison de l'affinité des isotopes du bore pour les neutrons, la température des soudures alliées de bore varie avec le flux de neutrons. La constante de temps du thermocouple à neutrons est d'environ 150 millisecondes, ce qui repré->0 sente une réponse un peu plus lente que désirable. Certains autres dispositifs nécessitant aussi des connexions électriques pour le détecteur ont été réalisés pour la détection des neutrons. Ces dispositifs ont en général la forme d'une chambre contenant un gaz en même temps qu'une matière fis-35 sile telle que du U-235. Quand la chambre est soumise à un flux de neutrons, la fission du U-235 engendre une quantité déterminée de chaleur en fonction de la densité de flux, ce qui à son tour chauffe le milieu gazeux. Un transducteur pour mesurer la tempéra 71 1419/ a 2086251 ture et la pression dans la chambre est utilisé pour produire un signal électrique proportionnel à l'élévation de la température ou de la pression, la valeur de ce signal représentant la densité de flux de neutrons. 5 II est connu aussi d'utiliser une paire de chambres, les deux remplies du même gaz et l'une contenant une matière fissile comme dans l'exemple ci-dessus. Un exemple typique d'un détecteur de ce type est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 2.824-9T1 concernant un détecteur de neutrons. 10 Suivant le brevet des Etats-Unis d'Amérique N° 2.824.97.1 précité, deux chambres sont interconnectées pour la communication du fluide par un orifice restreint. Une matière fissile sous la forme d'une toile métallique est disposée dans l'une des chambres et les chambres sont séparées par une membrane flexible en matière 15 conductrice de l'électricité. Deux plaques conductrices de l'électricité sont montées pour former une paire près de chaque côté de la membrane pour former deux condensateurs. Des conducteurs électriques séparés connectés aux plaques et à la membrane passent à travers un conduit vers un circuit extérieur à pont. Une déforma-20 tion de la membrane du fait de la différence des pressions dans les chambres modifie les capacités, et il en résulte un signal sortant du circuit en pont proportionnel à la différence des pressions. Un obturateur pour les neutrons permet l'ouverture et la fermeture pour le flux de neutrons, de la chambre contenant 25 la matière fissile, cet obturateur étant actionné par un électroaimant rappelé par un ressort et commandé à distance tandis que 1'autre chambre remplie de gaz reste blindée par rapport aux neutrons. Quand l'obturateur est ouvert et que par suite la matière fissile est soumise au flux de neutrons, le gaz est chauffé, ce 30 qui provoque une élévation de la pression dans cette chambre, tandis que 1'.autre chambre n'est pas affectée, de façon à provoquer le signal sortant du circuit en pont. Un dispositif selon l'invention est nouveau du fait que des milieux gazeux complètement séparés sont situés dans des 35 chambres scellées de même volume, l'une des chambre contenant un gaz à section efficace de capture élevée pour.les particules et l'autre un gaz à section efficace de capture faible pour les particules de la radiation détectée. Quand les chambres sont exposées 71 14197 3 2086251 aux flux de radiations, une différence de pression est établie entre les chambres, et cette différence peut être mesurée par un détecteur de pression différentielle extérieur communiquant pour les fluides avec les deux chambres afin de déterminer la 5 densité de flux de radiations. Il n'existe aucun conducteur électrique dans le détecteur ni aucune partie mobile pouvant être détériorés contrairement au cas des dispositifs antérieurs, de sorte que le détecteur est bien plus sûr et bien moins coûteux pour la construction et le fonctionnement„ Un dispositif selon 10 l'invention a de plus l'avantage particulier d'une durée de service plus longue par rapport à un dispositif antérieur, en particulier à l'intérieur d'un réacteur, du fait que quand le gaz est usé, il peut être remplacé sans qu'il soit nécessaire de retirer le dispositif du réacteur. 15 D'une façon générale, l'invention concerne un détecteur de densité de flux de radiations ayant une première chambre fermée contenant un milieu gazeux à section efficace élevée de capture des particules pour la radiation mesurée, une seconde chambre fermée contenant un milieux gazeux différent à section effi-20 cace substantiellement plus faible de capture des particules pour la radiation mesurée, et un dispositif en communication pour le fluide avec chaque chambre fermée pour mesurer la différence des pressions entre la première et la seconde chambre pour établir une indication représentant la densité du flux des radiations. 25 L'invention a par suite pour objet un détecteur de radiations ne nécessitant aucun conducteur électrique connecté au détecteur, ce détecteur étant d'une construction et d'un fonctionnement très économiques et n'étant pas détérioré aux températures élevées et par des flux intenses. 30 L'invention a aussi pour objet un détecteur de radia tions pour mesurer l'intensité des radiations par une mesure directe de la différence des pressions entre deux chambres isolées chacune contenant un gaz différent, l'un des gaz ayant une section efficace élevée de capture des particules et l'autre une 35 section efficace sensiblement plus faible de capture des particules pour les radiations mesurées. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exem 71 14197 2086251 pie et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : la figure 1 représente en perspective un détecteur de flux de radiations nucléaires selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, et 5 la figure 2 est une vue en perspective et en coupe, les pièces séparées les unes des autres, de la tête de détecteur de la figure 1. Les figures 1 et 2 représentent un détecteur selon un mode de mise en oeuvre de l'invention utilisé comme détecteur de 10 neutrons dans un réacteur. Comme le montre la figure 1, la tête de détecteur scellée 5 contenant deux chambres de volumes identiques est connectée à un détecteur de différence de pressions classique 7 par des conduits 9 et 11 connectés aux chambres et faisant partie de la première et de la seconde chambre respective-15 ment. Le détecteur de pression différentielle 7 peut être un dispositif eu un transducteur classique mesurant la différence des pressions. Comme le montre la figure 2, la tête de détecteur 5 est constituée par un corps cylindrique 21 comportant plusieurs cham-20 bres borgnes 23 et 25. Les chambres 23 et 25 sont régulièrement distribuées dans le corps en groupes intercalés afin qu'elles soient régulièrement exposées quand la tête de détecteur est placée dans un flux de radiations. Le corps est de préférence en métal perméable aux ra-25 diations d'une structure saine, par exemple en aluminium, et les chambres sont formées en perçant des trous à partir des.extrémités respectives du corps 21, ces trous ou alésages ayant des profondeurs prédéterminées pour former des chambres borgnes. Les deux groupes de chambres sont formés pour avoir le même volume à 30 l'intérieur du corps. Les chambres 23 et 25 sont de préférence fermées de façon étanche par des couvercles d'extrémité 27 et 29 qui sont soudés dans des évidements 31 et 33 du corps. Les chambres 23 sont interconnectées pour que les fluides communiquent par des canaux 35 qui forment"des passages quand le couvercle 27 35 est soudé en position. Le couvercle 27 comporte de la façon représentée deux passages 37 et 39 qui sont adaptés pour la fixation des conduits 9 et 11 de la figure 1» de façon à établir des connexions étanches à l'air pour la tête de détection. Le passage 71 14197 5 2086251 37 est aligné par rapport à la chambre 23' quand le couvercle 27 est en place pour faire communiquer le conduit 9 avec les chambres 23 et le passage 39 est de même aligné avec une ouverture 41 ; prolongeant la chambre 25', Comme les chambres 23 et 25 doivent 5 contenir des gaz séparés, une bague d'étanchéité en métal défor-mable 4-3 est placée dans une rainure 45 afin que quand le couvercle 27 appliqué avec pression est soudé, le fluide de la chambre 25 ne puisse pas passer dans l'évidement d'extrémité 31 et dans la chambre 23» Les autres chambres 25 sont interconnectées par 10 des canaux 47 analogues aux canaux 35 de l'évidement supérieur et le couvercle inférieur 29 est soudé de façon étanche dans l'évidement inférieur 33 pout compléter la structure de la tête de détection. Il apparaît ainsi que, quand la tête de détection est fermée de façon étanche, des chambres ayant le même volume sont 15 fermées et communiquent avec les conduits pneumatiques 9 et 11. Pour le fonctionnement comme détecteur de neutrons, par exemple, l'une des chambres est remplie par un procédé classique de remplissage sous vide d'un gaz à section efficace élevée de capture des neutrons, par exemple de ^He et l'autre chambre est 20 remplie de la même façon d'un gaz à section efficace faible de il capture des neutrons, par exemple de He. Quand les chambres ont été remplies avec une pression typiquement de l'ordre de 1 à 100 atmosphères, les conduits 9 et 11 sont connectés au détecteur de pression différentielle 7 et la tête de détecteur 5 est placée 25 dans le flux de neutrons devant être mesuré. Comme les groupes de chambres 23 et 25 sont intercalés, des volumes séparés sont régulièrement exposés à la densité de flux, et une mesure directe de la différence de pression entre les deux volumes représente la densité de flux de neutrons, et le détecteur de pression peut 30 etre étalonné pour indiquer directement la densité de flux. Les conduits de raccordement 9 et 11 sont de préférence des tubes de très petit diamètre afin que leur volume soit faible par comparaison au volume des chambrest Pour essayer le fonctionnement du détecteur de neutrons 35 à ^He - ^He, la tête de détecteur est placée dans un réacteur nucléaire. Pendant le démarrage du réacteur, une différence de pression apparaît et elle disparaît quand le flux de neutrons devient constant. L'indication relative à la différence des près- 71 14197 6 2086251 sions reste constante jusqu'à l'arrêt rapide du réacteur et la chute de sa réaetivité sensiblement à zéro. Le temps de réponse du détecteur utilisé pour cet essai est de 250 ms, limité par le temps de chute des barres de sécurité, Suivant cet essai, le flux 1 O Q 5 de neutrons était de 10 n/cm-s, et la différence de pression de 0,4 mm Hg résultant correspond à une différence de température de 0,2-C entre les deux chambres. Un avantage particulier de la combinaison ^He - He est la très bonne discrimination des rayons y et l'insensibilité à 10 la température. Le détecteur a été essayé dans un champ y de 10^ R/h et il en est résulté seulement une différence de température de 0,001-C entre les deux chambres, le signal de pression enregistré étant seulement de 0,0024- mm Hg. Une différence de température de 0,001-C a été noté quand la tête de détecteur 15 a été déplacée d'un bain d'eau bouillante dans un bain d'eau contenant de la glace. Tel que réalisé jusqu'ici, des différences de pression «.il de l'ordre de 10" ou 10~^ à 10 mm Hg ont été utilisées. Des détecteurs ayant une plage de pressions dynamiques de 1.000 ont été 20 construits. Un volume typique de ^He ou de ^He est de 50 ml La durée de vie de la tête de détecteur peut êt.re du même ordre de grandeur que celle d'une chambre d'ionisation classique placée dans le même flux de neutrons. Une durée de vie de 2 à 3 ans 10 2 peut être escomptée dans un flux de neutrons de 10 n/cm -s. Dans 25 des flux plus intenses, le gaz peut être épuisé bien plus vite. Cependant, un avantage du détecteur à gaz selon l'invention est que, quand il sont épuisés» les gas peuvent être remplacés sans sortir de la tête de détecteur du réacteur. De plus un avantage de l'hélium est que 1'hélium est déjà présent pour vérifier 30 l'éventualité de fuite du détecteur1 assemblé avant l'installation dans le réacteur. Il est possible d'envisager l'augmentation de la pression du gaz détecteur à 3 à 10 atmosphères au lieu de 1 atmosphère actuellement utilisée. Il peut être escompté une améliora-35 tion substantielle de la sensibilité. L'utilisation de pressions encore plus élevées ou de chambres plus importantes doit augmenter encore la sensibilité du détecteur. Les détecteurs de flux de neutrons du type considérépeuvait 71 1419/ 7 2086251 être réalisés en utilisant des substances autres que ^He - ^He. Par exemple, le gaz à section efficace élevée de capture des neutrons peut être du ^BF, et le gaz à faible section efficace * 11 de capture des neutrons peut être du BF^. 5 Le dispositif peut être rendu sensible à d'autres ra diations, par exemple aux rayons y et aux électrons, en utilisant des gaz à masse élevée et à masse faible dans les chambres 23 et 25, respectivement. Ces gaz peuvent être, par exemple, le xénon-54 (-^Xe) et l'hélium-4 (^He). Ces gaz doivent être insen-10 sibles aux variations de la température environnante comme c'est le cas pour la combinaison -^He et ^He, c'est-à-dire que pour des températures égales ils doivent produire des pressions égales parce que la pression développée dans des gaz chauffés ne dépend pas des masses. Le "pouvoir d'arrêt" du ^Xe pour les électrons 15 et les rayons y est de 50 à 100 fois celui de l'hélium, de sorte que le flux de rayons y ou d'électrons peut être mesuré en utilisant ces deux gaz différents. Il ressort de ce qui précède que l'invention permet de réâliser un détecteur de densité de flux de radiations d'une 20 grande souplesse d'utilisation ne nécessitant aucune connexion électrique exposée aux radiations. Le détecteur fonctionne du fait de signaux pneumatiques et sa vitesse de réponse est inférieure à 10 millisecondes. Il permet le remplacement du gaz détecteur du détecteur quand le réacteur est en marche à pleine 25 puissance. L'appareil est d'une structure simple et il peut être construit en de nombreuses matières compatibles avec un réacteur pour être utilisé dans le réacteur. Bien que l'appareil soit décrit dans le cas d'une configuration particulière, il doit être noté que de nombreuses formes peuvent être envisagées d'après les 30 radiations à détecter et les dimensions, la sensibilité et la plage de radiations désirées pour le détecteur. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 71 1419/ 8 2086251 REVENDICATIONS 1. Détecteur de flux de radiations comprenant deux chambres à gaz scellées pour l'exposition aux radiations dont le flux doit être mesuré et un système pour mesurer la différence des pressions entre les deux chambres, caractérisé par un premier gaz 5 ayant une section efficace élevée de capture des particules dans l'une des chambres et un second gaz ayant une section efficace de capture des particules substantiellement plus faible que celle du premier gaz dans l'autre chambre. 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce 10 que le dispositif pour mesurer la différence des pressions entre la première et la seconde chambre comprend un détecteur de pression différentielle pneumatique et deux conduits pneumatiques connectés entre le détecteur de pression et la première et la seconde chambre, les volumes de ces conduits pneumatiques faisant 15 partie des volumes égaux scellés des deux chambres. 3. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première et la seconde chambre sont disposées pour être soumises pratiquement à la même température ambiante. 4. Détecteur selon la revendication 3» caractérisé en ce 20 que la première et la seconde chambre sont forméesdans une tête de détecteur en matière perméable aux radiations et comportant une première série de chambres borgnes interconnectées pour la communication pour le fluide afin de constituer la première chambre scellée, et une deuxième série de chambres borgnes intercon-25 nectées pour la communication du fluide pour former la seconde chambre scellée, la première et la seconde chambre étant formées de façon que les chambres de l'une des séries soient intercalées entre les chambres de l'autre série afin que les chambres soient exposées de façon égale au flux de radiations incidentes. 30 5. Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce "5 4 que le premier gaz est du ^He et le second gaz du He. 6. Détecteur selon la revendication 5* caractérisé en ce que les chambres sont remplies de gaz à une pression comprise entre 1 et 100 atmosphères. 35 7. Détecteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier gaz est du -^Xe et le second gaz du ^He.