Brevet FR2104715A1 — publié le 19720421

La présente invention concerne les procédés et dispositifs de détection de rupture de gaine pour réacteur nucléaire, et, plus particulièrement, ceux de ces procédés et dispositifs dans lesquels on décèle une rupture de gaine en prélevant des échantillons-de gaz dans le réacteur, en collectant les ions. radioactifs solides descendant des gaz de fission éventuellement présents dans les échantillons sur un organe mobile que l'on amène ensuite face a un détecteur. Parmi les dispositifs de détection de rupture de gaine de ce type, on peut en particulier citer celui décrit dans le brevet français 1 322 2Q3 demandé le 5 février 1962 par l'organisme demandeur. Dans ce dispositif l'organe mobile est constitué par un plateau tournant sur lequel sont disposées å intervalles angulaires-. égaus-des plages de collection électrostatique. Un mécanisme de rotation alterné du plateau permet d'amener une plagerdonnée face à un détecteur de rayonnement bêta en vue de la mesure du bruit de fond, puis dans une chambre de coliection où les ions radioactifs éventuels sont précipités sur la piage-par voie électrostatique, et enfin de nouveau devant l'appareil de mesure de l'activité bêta. Ce dispositif, s1 il fonctionne de façon pleinement satisfaisante, présente toutefois l'inconvénient de mal se pater a l'identification du type due rupture de gaine en cause: en particulier les signaux fournis par le détecteur bêta, même si l'on surveille leur évolution, ne permettent pas de distinguer entre une rupture franche et une fuite continue de faible débit ou de connaître la nature des émetteurs entraînés par les échantillons de gaz. La présente invention vise a fournir un procédé et un dispositif de détection de rupture de gaine répondant mieux que ceux antérieurement proposés aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'vil pallie dans une large mesure les inconvénients ci-dessus. Dans ce but, l'invention propose un procédé de détection de rupture de gaine dans un réacteur nucléaire, caractérisé notamment en ce que l'on prélève des échantillons successifs de gaz, on envoie chacun des échantillons à son tour dans une chambre dans laquelle règne un champ électrique qui précipite les ions radioactifs sur une plage d'un organe mobile constituant une fraction de la paroi de la chambre, on déplace ladite plage pour l'amener sous un détecteur bêta et on commande automatiquement en fonction du niveau d'activité décelé par le détecteur soit la répetlton des mêmes opérations sur un nouvel échantillon à l'aide d'une nouvelle plage de l'organe mobile, soit l'analyse de la même plage ou d'autres plages de collection d'ions provenant d'échantillons de même origine par un détecteur de rayonnements gamma associé à une installation de discrimination en énergie. Il est bien entendu que lorsque l'on fait mention ici d'un "réacteur nucléaire1,, l'on n' entend nullement ces termes dans un sens restrictif, le procédé étant applicable aussi bien à l'examen du coeur combustible d'un réacteur qu'à celui par exemple de boucles expérimentales d'irradiation de combustible, sans sortir du cadre de l'invention. Le procédé suivant l'invention permet, une fois qu'on a décelé une rupture de gaine par détection dans le gaz d'ions radioactifs qui appartient à la descendance des produits de fission échappés de la galne.endommagée, de faire une analyse de ces produits de fission pour détecter notamment leur abondance relative. Etant donné que ces produits ont des périodes très différentes, leur abondance relative sera en effet très différente selon qu'il s'agit d'une rupture franche, ayant laissé sortir une bouffée de volume notable de gaz de fission, ou au contraire d'une fuite lente et continue.Par exemple la présence de xénoei 138 de 17 mnde période et qui donne naissance à un césium de 38 mn de période présentant un pic gamma à 1,426 MeV ou de krypton 88 de 2,8 heures de période et qui donne naissance à un rubidium de 18 mn de période présentant un pic gamma à 1,836 MeV, renseigne sur la vitesse de sortie des produits de fission. De façon plus générale, la prédominance de nucléides à vie courte indique une rupture franche alors que la présence presque exclusive de nucléides à vie longue indique une fuite lente. L'invention propose également un dispositif de détection des produits de fission permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, comprenant un organe mobile présentant une série de plages réparties à intervalles égaux, une chambre de précipitation dans laquelle est admis le fluide porteur de produits de fission munie de moyens permettant de créer un champ électrique de collection des ions sur une plage de l'organe de transport constituant une partie de la paroi de la chambre, des moyens pour amener des échantillons successifs de gaz à la chambre, et un mécanisme de commande de l'organe de transport permettant d'amener une plage donnée dans la position de collection sous un appareil de mesure de l'activité bêta de la plage et sous un appareil de mesure de l'activité gamma associée à une installation d'analyse en énergie du rayonnement gamma et d'identification des émetteurs correspondants. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif constituant un mode de réalisation particulier de l'invention, ainsi que du procédé qu'il met en oeuvre. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent et dans lesquels: la figure 1 est un schéma de principe de l'ensemble du dispositif; la figure 2 montre schématiquement le détecteur du dispositif de la Fig.l, représenté en vue de dessus; la figure 3 est une vue en coupe suivant la ligne III - III de la Fig. 2; les figures 4 et 5 sont des vues de détail des appareils de détection bêta et gamma, en coupe suivant les plans III - III et V-V de la Fig.2. L'installation représentée très schématiquement en Fig. 1 est destinée à la détection de ruptures de gaine par prélèvement d'échantillons dans le matelas de gaz inerte placé au-dessus de la masse de sodium d'un réacteur à neutrons rapides. Le système de prélèvement d'argon comprend un filtre interchangeable 1 destiné à retenir les vapeurs et les aérosols de sodium qui ne doivent pas parvenir au détecteur car ils modifieraient l'isolement électrique et pourraient entraîner des claquages et des mesures fausses. Le circuit comprend encore un surpresseur 2, un filtre 3 pour la rétention des produits de fission solides avant l'entrée du gaz dans la chambre du détecteur et le détecteur proprement dit, assigné dans son ensemble par la référence 4. ntérleurement à l'invention, le surpressseur 2, destine à faire circuler les prélèvements d'argon, était placé en aval de la chambre du détecteur de façon à réduire la proportion de gaz radioactifs retenus et le temps de transfert. Mais cette solution présente en contrepartie un grave inoonvénlent: à chaque remplacement d'un filtre colmaté par un autre représentant une perte de charge beaucoup plus faible, la pression du gaz admis dans la chambre du détecteur 4, et donc sa quantité, variait de façon considérable. Le bruit de fond en fonction du temps variait en conséquence en dents de scie, chaque dent correspondant à un nouveau pot d'épuration. L'exploitation des résultats était très compliquée par la prise en compte de ce phénomène.Le problème est éliminé dans le circuit représente en Fig.1 puisque le surpresseur 2 est placé en amont de la chambre du détecteur 4, un clapet taré 5 placé sur l'évacuation de cette chambre garantissant un fonctionnement à une pression constante qui peut d'ailleurs être nettement supérieure à la pression d'alimentation, proche de la pression atmosphérique qui était utilisée antérieurement, pour augmenter la sensibilité. A titre d'exemple, on peut indiquer que pour un réacteur à neutrons rapides actuellement en construction, on prévoit une activité de gaz (argon) d'environ 50 à 100 mCi/l, essentiellement due au néon 23, à l'argon 41 et aux ga de fission (Kr et Xe). Le débit normal prévu dans le détecteur 3 est de 200 à 300 cm3/s à une température maximale de 400C. Une installation très similaire à celle de la Fig.l peut être utilisée avec comme fluide porteur, au lieu de l'argon, l'azote, l'hélium ou même l'air pour des réacteurs utilisant l'eau comme réfrigérant. Dans ce cas, le filtre 1 doit évidemment retenir la vapeur d'eau. Aux détecteurs bêta et gamma est associée une chaîne de traitement d'informations qui fixe également la séquence des opérations. Cette chaîne comprend une installation de comptage 6 qui fournit le taux de comptage bêta à un organe de calcul 7. Celui-ci commande le moteur et la mise en marche éventuelle du détecteur gamma, associé à un ensemble 8 de comptage et de discrimination en énergie, ainsi que l'alimentation haute tension du dispositif de collection par la source 9. Le détecteur proprement dit, illustré en figures 2, 3 et 4, comprend un boîtier de forme générale cylindrique plate, constitué essentiellement d'un corps 10 et d'un couvercle 12 assemblés par des vis 14. Le corps 10 et le couvercle 12 ménagent entre eux un espace de révolution dans lequel tourne un plateau de collection 16. Des joints d'étanchéité 18 interposés entre le corps 10 et le couvercle 12 assurent l'étanchéité de cet espace. Le corps 10 porte un moteur électrique 20, qui entraîne le plateau 16 par l'intermédiaire d'une transmission étanche 22. Le couvercle 12 porte de son cté le dispositif de collection d'ions, le détecteur de rayonnements béta et le détecteur de rayonnnements gamma qui seront successivement décrits maintenant. Avant de décrire le dispositif de collection d'ions qui est illustré en figure 3, il peut être utile de rappeler son principe de fonctionnement: on cherche à collecter instantanément par un fort champ électrique, les ions issus des gaz de fission présents dans le fluide porteur. Pour cela, on fait traverser par ce fluide une chambre en forme de secteur sphérique où l'on crée un champ électrique radial élevé. Les ions radioactifs Rb+ et Cs sont précipités dès leur formation sur une plage du plateau collecteur porté à un potentiel négatif élevé par rapport à la masse et pouvant constituer l'une des électrodes de création du champ électrique.Cette plage est ensuite amenée sous un détecteur (semicteur ou scintillateur associé à un photomultiplicateur) D'après le principe même du fonctionnement, on voit que,pour améliorer la sensibilité de détection, il faut augmenter la quantité d'ions actifs non recombinés présents dans la chambre. On peut évidemment se contenter d'augmenter le volume de cette chambre, ce qui impose, pour une même valeur du champ, une différence de potentiel plus élevée. On peut également rechercher à améliorer le balayage de cette chambre par le fluide porteur: Le dispositif de collection qui va être décrit est conçu dans ce but. Le dispositif de collection est destiné à precipiter sur celle des N plages (N étant un nombre entier, du plateau 16 qui ferme la chambre de collection, les ions radioactifs présents dans la chambre. Les N plages, réparties à intervalles angulaires égaux, peuvent être constitués par des plots conducteurs 24 retenus dans des trous du plateau 16 en matériau isolant. Les parties fixes du dispositif de collection comprennent un boîtier en plusieurs pièces assemblées, raccordé au couvercle 12 et délimitant la chambre de collection 26, de forme hémisphérique. La calotte 28 de ce boîtier retient un anneau 30 en matériau isolant qui sépare électriquement l'ensemble du boîtier, mis à la masse, du plot 24 porte à une haute tension négative par une alimentation qui sera décrite plus loin. L'anneau 30 délimite la partie conique de la chambre 26, tandis que la calotte 28 délimite le fond hémisphérique. La dispcsition décrite jusqu'ici est similaire à celle de dnsposltlfs de collection antérieurs, tels que celui décret dans le brevet français i 322 203 demande le 5.2.1962 par liorganisme demandeur. Mals le dispositif représenté en figure 3 est très différent des précédents en ce qui concerne l'alimentation et l'échappement du fluide porteur.Le conduit 32 d'amenée du fluide porteur ne débouche pas directement dans la chambre de collection 26 Il s'ouvre dans un compartiment 34 de faible épaisseur, délimité par la calotte 28 et par une paroi 36 percée de nombreux trous de faible diamètre et en matériau conducteur pour que le champ électrique présente des équipotentielles parallèles entre cette paroi portée à la masse et la plage de collection 24 Cette paroi 36 peut notamment être constituée par une feuille poreuse en matériau conducteur de l'électricité, par exemple par une feuille en inox fritté de quelques millimètres d'épaisseur ou par un empilement de toiles en acier inoxydable, croisées et soudées par compression. De façon plus générale, il suffit que la paroi soit en matériau conducteur de l'électricité et présente à la fois un coefficient de perte de charge suffisant pour rEpartir l'écoulement et une porosité suffisamment grande pour éviter le colmatage. On peut considérer que dans la majeure partie des cas, un diamètre de pores de quelques dizaines à quelques centaines de microns convient. Toutefois, il serait également possible de constituer la paroi 36 par une calotte métallique percée de nombreux trous convergents ou parallèles de petit diamètre. Pour améliorer la répartition dans ie compartiment 34 du fluide porteur qui arrive par la conduite 32, un déflecteur 38 est avantageusement placé au débouché du conduit 32. Le fluide porteur, après avoir parcouru la chambre de collection 26, s'échappe de celle-ci par une série de trous 40, régulièrement répartis dans l'anneau isolant 30, à proximité de la plage de collection 24. Ces trous débouchent dans un collecteur torique 42 d'où le fluide s'échappe par une conduite 44 vers le clapet taré 5. La disposition qui vient d'être décrite conduit à un écoulement convergent dans la chambre et à un effet de piston, ce terme signifiant qu'il ne subsiste ni zone morte, ni contre-courant, les déplacements s'effectuant sensiblement en bloc. Le temps de séjour est dans ces conditions du même ordre pour toutes les molécules et il se rapproche du temps théorique (rapport du volume de la chambre au débit d'admission) ce qui correspond à un apport maximum d'ions neufs. I1 faut à ce sujet remarquer qu'on n'obtiendrait pas le même résultat si l'on se contentait d'injecter le fluide porteur en plusieurs points au lieu d'un seul, car, Si dans ce cas, on intéresse bien par l'écoulement la totalité de la chambre, on n'obtient pas pour autant une diminution du temps de balayage et une augmentation de la quantité d'ions neufs. Il faut également noter que, grâce aux améliorations de conception et à l'adoption d'une surface de collection plus faible, dans le dispositif qui vient d'être décrit par rapport au cas des dispositions antérieures, on peut augmenter .ïe nombre de plages. En conséquence, l'intervalle de temps qui sépare deux utilisations successives de la même plage peut être augmenté, ce qui diminue le bruit de fond du fait de la décroissance radioactive des ions précipités. Le détecteur de rayonnements bêta (figures 3 et 4), est également porté par le couvercle 12. I1 comprend une coupelle 46 fixée de façon étanche au couvercle et dans laquelle est monté un semicteur (détecteur à semi-conducteur) et son préamplificateur 50. De plus, la coupelle 46 est percée d'un conduit 52 d'amenée de gaz inactif (de préférence de même nature que le fluide porteur, argon par exemple). Ce conduit est raccordé à une extrémité à une canalisation d'amenée 54 et à l'autre extrémité à un espace 56 de répartition. On peut ainsi, pendant la mesure, admettre du gaz de balayage qui protège le semicteur contre les contaminations et entraîne le gaz porteur radioactif afin de diminuer le bruit de fond parasite. La coupelle 46 est -également percée de conduits d'amenée et d'évacuation de réfligérant (eau par exemple). Le conduit d'amenée 58 débouche dans des chicanes d'où le réfrigérant s'échappe par un conduit 59 (Fig.2). Le dispositif de jonction électrique qui porte le plot 24 à'la haute tension négative (Fig-.3), très similaire au dispositif de centrage des plages successives face au détecteur bêta (Fig.4), sera maintenant décrit, les mêmes numéros de référence étant utilisés pour les deux dispositifs. Chaque plage 24 est constituée par la partie supérieure d'un pion monté coulissant dans un trou du plateau et d'un ressort qui tend à ramener vers une position basse dans laquelle il est de niveau avec le plateau. Dans le fond du plot est ménagé un évidement de réception d'une bille 72 retenue par une vis 74. Celle des vis 74 qui est placée face à la chambre de collection est reliée à un connecteur de raccordement à une source de haute tension négative non représentée. On voit que cette disposition garantit non seulement un contact électrique satisfaisant, mais aussi un bon centrage à une distance très faible et constante du semicteur. Le préamplificateur 50 est muni d'une douille 60 de raccordement par un câble à l'installation de comptage 6, éventuellement munie d'un discriminateur d'amplitude. Les résultats enregistrés par cette installation sont transmis à l'organe de calcul 7 qui fixe également la séquence des opérations. Si le taux de comptage enregistré par l'installation ne présente pas d'anomalies, l'organe 7 commande le moteur 20 pour provoquer une nouvelle séquence précipltatlon-comptage bêta sur une nouvelle plage. Si au contraire le taux de comptage dépasse un seuil correspondant à une probabilité de rupture de gaine, l'organe de calcul commande le moteur 20 pour provoquer la venue de la plage précédente face au détecteur gamma, qui sera maintenant décrit. Le détecteur gamma peut, comme le détecteur bêLa, être à semicteur. Mais le coût élevé d'une installation de ce genre destinée à la détection du rayonnement gamma et à la discrimination en énergie, conduit à préférer la disposition illustrée en figure 5, comprenant un cristal d'iodure de sodium 62 et un photomultiplicateur 64 dans une coupelle 66 munie d'organes annexes similaires à ceux dont est munie la coupelle 46. Les caractéristiques d'un détecteur particulier et son mode de mise en oeuvre seront maintenant indiqués brièvement à titre d'exemple. Le détecteur comporte un plateau à trente plages dont une sur deux seulement est utilisée en détection-gamma. Le décalage angulaire entre la chambre de collection et le détecteur bêta est de onze plages, soit 1320. Le décalage entre la chambre de collection et le détecteur gamma est de 8 plages utiles, soit 1920. En fonctionnement normal (détection bêta seule) deux mesures successives portent sur des plages séparées de 2280 (correspondant à dix neuf plages). Le cycle élémentaire comporte, de façon classique, la venue d'une nouvelle plage sous le détecteur bêta, la mesure du bruit de fond, la rotation du plateau pour amener la plage sous la chambre de collection, la précipitation des ions, une nouvelle rotation du plateau (de même sens que les précédentes) pour ramener la plage sous le détecteur bêta et enfin la mesure du comptage total. Lorsque les mesures bêta révèlent une activité excessive, ou sur une demande extérieure, le mode de fonctionnement du détecteur change et les échantillons successifs de même origine font l'objet de mesures gamma. Au cours de ces mesures, des plages successives séparées de 1649 (intervalle de sept plages utiles) sont amenées successivement sous la chambre de collection et sous les détecteurs gamma I1 va sans dire que d'autres modes de mise en oeuvre sont possibles et que le dispositif ainsi que le procédé sont susceptibles de nombreuses variantes. Il doit être entendu qu'elles sont couvertes par le présent brevet aussi longtemps qu'elles restent dans le domaine des équivalences. REVENDICATIONS 10) Procédé de détection de rupture de gaine dans un réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'on prélève des échantillons successifs de gaz provenant du réacteur, on envoie chacun des échantillons à son tour dans une chambre dans laquelle règne un champ électrique qui précipite les ions radioactifs sur une plage d'un organe mobile constituant une fraction de la paroi de la chambre, on déplace ladite plage pour l'amener sous un détecteur bêta, et on commande automatiquement en fonction du niveau d'activité décelé par le détecteur soit la répétition des mêmes opérations sur un nouvel échantillon à l'aide d'une nouvelle plage, de l'organe mobile, soit l'analyse de la même plage ou d'autres plages de collection d'ions provenant d'échantillons de même origine par un détecteur de rayonnements gamma associé à une installation de discrimination en énergie. 20) Dispositif de détection des produits de fission, notamment pour installation de détection de rupture de gaine dans un réacteur nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend un organe mobile présentant une série de plages réparties à intervalles égaux, une chambre de précipitation dans laquelle est admis le fluide porteur de produits de fission, munie de moyens permettant de créer un champ électrique de collection des ions sur une plage de l'organe de transport constituant une partie de la paroi de la chambre, des moyens pour amener des échantillons successifs de gaz a la chambre, et un mécanisme de commande de l'organe de transport permettant d'amener une plage donnée dans la position de collection sous un appareil de mesure de l'activité bêta de la plage et sous un appareil de mesure de l'activité gamma associée à une installation d'analyse en énergie du rayonnement gamma et d'identification des émetteurs correspondants. 30) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe mobile est constitué par un disque rotatif en matériau isolant, et en ce que les plages sont constituées par des plots métalliques venant successivement fermer la chambre de collection et munis de moyens permettant de les porter à une haute tension négative par rapport à la paroi en regard de la chambre. 40) Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la chambre de collection présente une forme en secteur de sphère, délimitée par un anneau isolant, une calotte sphérique et ladite plage la différence de potentiel de création du champ électrique étant établie entre la plage et la calotte sphérique, et en ce que le fluide porteur est admis simultanément en des points répartis le long de la calotte sphérique et est évacué à proximité de ladite plage. 50) Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé par une paroi perforée de nombreux trous de faible diamètre, délimitant avec la calotte sphérique un espace de faible épaisseur dans lequel est admis le fluide porteur, espace qui communique avec la chambre par de nombreux trous de faible diamètre. 60) Dispositif suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le fluide porteur est évacué par une pluralité de trous ménagés dans l'anneau isolant à proximité de la plage de collection. 70) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par un surpresseur d'alimentation de la chambre de collection en fluide porteur, et par un clapet taré, disposé sur llévacuae=ion de la chambre de collection et fixant la pression dans celle-ci. 80) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l'appareil de mesure de l'activité bêta notamment, comporte comme organe sensible un semicteur.