Brevet FR2056929A1 — publié le 19710507

205692*5 La présente invention concerne en général l'équipement des réacteurs nucléaires et se rapporte plus particulièrement à un détecteur de radiations compact susceptible d'être utilisé pendant une longue période à l'intérieur du coeur d'un réacteur 5 pour y contrôler le niveau d'énergie dégagée localement. Le détecteur de radiations de la présente invention est capable de contrôler l'intensité du flux de neutrons et/ou l'intensité du flux combiné de neutrons et de rayons gamma dans une région déterminée, à l'intérieur du coeur du réacteur» et de four-10 nir un courant de signalisation représentant la valeur instantanée de la radiation détectée. En utilisant des données correctes d'étalonnage, il est possible de connaître à volonté soit le flux local de neutrons, soit le flux local de rayons gamma,/ soit le niveau de l'énergie dégagée localement, 15 II est avantageux du point de vue économique qu'une quanti té donnée de combustible nucléaire puisse produire autant d'énergie que possible. Or, on ne peut obtenir le rendement maximum d'un coeur de réacteur nucléaire que si le dispositif de sécurité est capable d'assurer une protection instantanée en répondant 20 immédiatement aux variations d'énergie qui se produisent dans chaque conduit de combustible. Il est donc important que les détecteurs intérieurs au coeur d'un réacteur et destinés à y détecter la densité d'énergie dégagée soient capables de réagir immédiatement aux variations de la densité d'énergie qui se manifes-25 tent par des variations dans les flux locaux de neutrons et de rayons gamma. Les'signaux fournis par ces détecteurs doivent a-lors nécessairement représenter les conditions de flux qui existent à ce moment même à l'intérieur du coeur plutôt que celles qui existaient réellement quelques secondes auparavant, ou même 30 encore beaucoup plus tôt. On connaît déjà d'une façon générale des détecteurs de neutrons à état solide tels que ceux décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N° 3.375«370 au nom de Hilborn et 3.400.289 au nom d'Anderson. 35 Un détecteur de neutrons typique à état solide comprend un émetteur qui émet des électrons quand il est bombardé par des neutrons, un collecteur, et un isolateur interposé entre l'émetteur et le collecteur. La quantité d'électrons émis par unité de temps correspond à l'intensité du flux de neutrons et, pour un 40 isolateur à profil donné, la quantité d'électrons atteignant le 70 28344 2. 2056929 collecteur pour former le courant de signalisation correspond à l'intensité du flux de neutrons réagissant avec l'émetteur. De nombreuses matières émettricas émettent également des électrons quand elles sont "bombardées par des rayons gamma, et c'est pour-5 quoi dans ces détecteurs compacts9 l6-éai.ssion d'électrons est provoquée en partie par les' rsgrons gasraa incidents, en partie par l'émission de rayons gamma "internes résultant de la capture des neutrons incidents, cette émission dsélectrons étant aussi due en partie au processus de désintégration des rayons "bêta provoqué 10 par le bombardement de neutrons® Les électrons dûs aux rayons gamma incidents extérieurs et aux Eey5ES gamma secondaires résultant, de la capture des neutrons sont émis immédiatement par 1' émetteur, tandis que les électrons engéndrés par la désintégration des rayons bêta sont émis avec m certain retard bien défini 15 après la capture des neutrons, 13importance de ce retard étant la caractéristique de la matière ésaettric® « Il en ressort- que si le courant indicatif du détecteur peut être formé presque entièrement d'électrons rapides ou immédiats et que si l'on peut empêcher par un procédé quelconque les élee-20 trons ralentis ou retardés d'atteindre le collecteur, ces électrons retardés se. trouvant ainsi exclus du courant de signalisation, ledit courant représentera âloss la valeur instantanée de l'intensité du flux de neutrons et/ou l'intensité du flux de rayons gamma agissant sur l'émetteur, et l'on évitera ainsi toute 25 confusion pouvant surgir d'un mélange des informations concernant le flux antérieur avec celles concernant le flux du moment. L'invention permet d'obtenir un détecteur de radiations qui sert à contrôler et .mesurer dans le coeur d'un réacteur le flux de neutrons, la radiation gamma ou :±©s deux à la fois, et ceci 30 dans une trégion .précise. De même que certains détecteurs dé^à connus» - le dispositif de 1'invention comprend un émetteur, un collecteur et un isolateur interpose entre l'émetteur et le collecteur. Le perfectionnement apporté par l'invention réside à la fois dans le choix d'une matière particulière destinée à l'émet-35 teur et dans l'épaisseur étudiée de l'élément isolant. L'émetteur est constitué par uhë matière qui, lorsqu'elle est bombardée concurremment par les neutrons et les rayons gamma," 'émet une quantité d'électrons immédiats indiquant les intensitéè du flux ' combiné de neutrons et de rayons gamma, et émet aussi une quan— 40 tité d'électrons retardés indiquant l'intensité du flux de neu 70 28344 5 2056929 trons. Selon les réalisations préférées de l'invention, la matière choisie pour l'émetteur peut être soit de l'ytterbium, soit de l'hafnium. le choix de ces corps est déterminé par le fait que 5 les électrons retardés provenant de la désintégration des rayons "bêta après capture des neutrons sont émis a un niveau d'énergie primaire inférieur à celui des électrons immédiats qui sont émis par suite de la radiation gamma incidente et de 1 'émission gamma secondaire consécutivement à la capture des neutrons. 10 Comme les électrons immédiats ont en moyenne une énergie su périeure à celle des électrons retardés, il est par conséquent possible, quand on utilise lesdites matières, d'éliminer tel élément constitutif du courant du collecteur qui proviendrait dans d'autres conditions des électrons retardés. On obtient ce résul-15 tat en choisissant un isolateur dont l1épaisseur est suffisante pour absorber les électrons retardés à énergie plus faible mais qui permet toutefois aux électrons immédiats à énergie supérieure d'atteindre le collecteur. Le courant indicatif de rendement au collecteur se composera alors presque uniquement d'électrons im-20 médiats et suivra instantanément (pour atteindre des buts pratiques) les variations du flux de neutrons et/ou de l'intensité gamma. Du fait que les électrons retardés sont absorbés par l'isolateur, d'où ils sont en définitive renvoyés à l'émetteur, le courant de signalisation fourni par le détecteur ne renferme au-25 cun élément constitutif représentant les conditions du flux antérieur et, de ce faiit, l'indication fournie exclut toute possibilité de confusion entre les informations concernant le flux du moment et le flux antérieur. Dans les réalisations préférées de 1'invention, le collec-30 teur entoure coaxialement l'émetteur et l'isolateur est une couche d'oxyde de magnésium ou d'oxyde d'aluminium entourant coaxialement l'émetteur et elle-même entourée coaxialement par le collecteur. Avec un émetteur en ytterbium ou en hafnium, 1 ' épaisseur radiale d'un isolateur en oxyde de magnésium doit être de 0,51 mm 35 sl 0,635 mm« Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement de la description qui va suivre d'une réalisation préférée de l'invention en référence au dessin annexé dans lequel : 40 la figure 1 est une vue longitudinale et en coupe partielle 70 28344 4 2056929 d'un détecteur de radiations selon une réalisation préférée de 1 ' invention ; la figure 2 est une section transversale du détecteur de radiation suivant -la ligne 2-2 de la figure 1 , 5 Le détecteur de radiations.représenté aux figures 1 et 2 comprend un émetteur 11 constitué par une "barre cylindrique d* ytterbium. Une couche isolante 13 d1 oxyde de magnésium entoure coaxialement l'émetteur 11 et est elle-même entourée coaxialement par 10 une gaine du collecteur cylindrique 12. Le collecteur 12 est avantageusement un tube en "Inconel" et il est fermé à l'une de ses extrémités par un bouchon métallique 14 qui peut être fixé par soudure. L'extrémité extérieure du collecteur 12 reçoit un câble 15 coaxial 15 comportant une gaine extérieure 16 en Inconel entourant un bourrage isolant 17 en oxyde d^aagnésium à travers lequel s'étend un conducteur 18 relié électriquement et soudé à 11 extrémité de 1 ' émetteur 11. La gaine 16 entre dans un manchon 19 introduit dans le collecteur 12 auquel il est soudé. Ainsi, le 20 manchon 19» la gaine 16 du câble et le collecteur 12 se trouvent reliés électriquement. Quand le détecteur 10 est installe dans le coeur d'un réacteur en fonctionnement (non représenté), les neutrons et les rayons gamma qui arrivent passent facilement par le câble 15s le 25 collecteur 12 et l'isolateur 13 sans produire beaucoup d'effet, et ils sont absorbés par l'émetteur 11. Le seul effet produit par la capture de ces neutrons et de ces" rayons gamma par la matière de l'émetteur 11 est l'émission d'électrons par la surface extérieure de cet émetteur. Quand l'émetteur 11 est en ytterbium ou 30 en hafnium, le bombardement de neutrons qu'il subit provoque 1' émission d'électrons immédiats et d'électrons retardés. Une caractéristique importante propre aux deux corps ainsi choisis, l'ytterbium et 1'hafnium» est que les électrons retardés dûs à la désintégration des rayons bêta sont émis à un niveau 35 d'énergie primaire inférieur à celui des électrons que ces corps émettent immédiatement. Pour l'Ib^^ et l'Hf^g^, les niveaux d* énergie primaire des électrons provenant de la désintégration bêta sont respectivement de 470 kev et 410 kev, tandis que pour les mêmes éléments, les électrons immédiats sont émis au-dessus 40 du champ d'énergie de 0 à 755 Mev, le niveau d'énergie primaire 70 28344 5 205692*9 étant largement supérieur à 500 kev. La quantité d'électrons de chaque catégorie émise par unité de temps correspond à l'intensité du flux de neutrons. Cependant, en ce qui concerne les électrons retardés, la quantité d'élec-5 trons émis par la surface de l'émetteur 11 à tout instant donné correspond à l'intensité du flux de neutrons existant à un moment antérieur donné, ce retard correspondant à la moitié de la-durée du produit de désintégration des rayons bêta, soit 4,2 jours pour l'Yb175 et 4-3 jours pour l'Hf^g^. 10 Pour obtenir un courant de signalisation qui représente la valeur instantanée du flux de neutrons réagissant avec l'émetteur 11, il faut empêcher les électrons retardés d'atteindre le collecteur 12. On y parvient, selon l'invention, en utilisant un isolateur 13 en oxyde de magnésium d'une épaisseur radiale de 15 0,51 à 0,635 mm, cette épaisseur étant suffisante pour absorber sensiblement tous les électrons retardés d'énergie inférieure à 500 kev tout en permettant aux électrons immédiats à plus grande énergie d'atteindre le collecteur 12 et de constituer sensiblement à eux seuls le courant de signalisation envoyé aux organes 20 de contrôle extérieurs (non représentés) par le câble 15- Pour construire en pratique le détecteur 10 de 18invention, on peut utiliser un fil d'ytterbium de 1,22 à 1,27 mm. de diamètre et de 228 mm de long pour l'émetteur 11, un tube Inconel d'un diamètre extérieur de 3»18 mm et d'une épaisseur de paroi de 25 0,25 mm pour le collecteur 12, et une couche d'oxyde de magnésium, pour l'isolateur 13. Pour un tel détecteur 10, il est préférable que le câble coaxial 15 soit un tubè Inconel d'un diamètre extérieur de 1,57 mm, l'épaisseur de paroi de la chemise 16 étant de 0,25 m®, et 30 que le conducteur 18 soit un fil Inconel d'un diamètre de 0,23mm. Dans des conditions normales de fonctionnement, le détecteur 10 se trouve exposé aux rayons gamma aussi bien qu'aux neutrons thermiques. L'émetteur 11 est également sensible au bombardement par rayons gamma et la quantité d'électrons immédiats qu'il émet 35 indique l'intensité du flux des rayons gamma. Le rapport entre les sensibilités du détecteur 10 aux neutrons et aux rayons gamma peut être facilement déterminé par les procédés d'étalonnage connus de l'homme de l'art afin que les signaux fournis par le détecteur 10 soient corrigés de façon à indiquer soit l'intensité du 40 flux de neutrons, soit l'intensité du flux de rayons gamma, soit 70 28344 6 2056923 les deux. Le détecteur à réponse iamêdiate 10 selon l'invention peut être utilisé pendant une longue période dans le coeur d'un réacteur car les émetteurs en ytterbium ou en hafnium se consument 5 "beaucoup moins facilement que les émetteurs constitués par les matières que l'on utilisait' jusqu'à présent» "Bien qu'une réaction immédiate aux neutrons et aux rayons gamma puisse effectivement être obtenue dans les détecteurs eoaaus à ce jour, où n5existent pas d'isolateurs sélectifs d'énergie électronique disposés entre 10 l'émetteur et le collecteur, un© telle réaction ou réponse immédiate est fournie au détriment d® la durée d'utilisation de l'émetteur, tandis qu'avec l'invention le fait d'obtenir une réponse immédiate ne compromet pas sérieusement la durée d'utilisation de l'émetteur. 15 Bien qu'une seule forme de réalisation vienne d'être décrite, il sera évident pour l'homme de l'art que l'invention englobe toute variante d* exécution et que certaines caractéristiques a-vantageuses de l'invention peuvent être utilisées indépendamment des autres. 70 28344 7 2056929 REVENDICATIONS 1) Dans un détecteur de radiations comprenant un émetteur, un collecteur et un isolateur interposé entre ledit émetteur et ledit collecteur, le perfectionnement selon lequel l'émetteur est fait d'une matière qui émet des électrons immédiats et des 5 électrons retardés en quantités respectives indiquant chacune l1 intensité du flux de neutrons quand ledit émetteur perfectionné est "bombardé par les neutrons, lesdits électrons retardés se trouvant émis à -un niveau d'énergie primaire inférieur à celui des électrons immédiats, tandis que l'isolateur a une épaisseur 10 suffisante pour absorber les électrons retardés d'énergie inférieure tout en permettant aux électrons immédiats d'énergie supérieure d'atteindre le collecteur pour y engendrer un courant de signalisation de puissance formé exclusivement en pratique par lesdits électrons immédiats et représentant la valeur ins-15 tantanée du flux de neutrons réagissant avec l'émetteur. 2) Le perfectionnement selon la revendication 1, dans lequel la matière utilisée pour l'émetteur est de l'ytterbium. 3) Le perfectionnement selon la revendication 1, dans lequel la matière utilisée pour 1'émetteur est de 1'hafnium. 20 4) Le perfectionnement selon la revendication 2, dans lequel le collecteur entoure coaxialement 3'émetteur. 5) Le perfectionnement selon la revendication 4, dans lequel l'isolateur est une couche d'oxyde de magnésium, entourant coaxialement l'émetteur et entouré coaxialement par le collecteur, et 25 dont l'épaisseur radiale se situe entre 0,51 et 0,635 mm. 6) Dans un détecteur de radiations comprenant un émetteur, un collecteur et un isolateur interposé entre ledit émetteur et ledit collecteur, le perfectionnement selon lequel l'émetteur est fait d'une matière qui émet une quantité d'électrons immédiats 30 indiquant les intensités des flux combinés de neutrons et de rayons gamma quand ladite matière est bombardée concurremment par des neutrons et des rayons garnrita, et qui émet une quantité d'électrons retardés indiquant l'intensité du flux de neutrons, lesdits électrons retardés étant émis à un niveau d'énergie pri-35 maire inférieur à celui des électrons immédiats, tandis que 1' isolateur a une épai sseur suffisante pour absorber les électrons retardés d'énergie inférieure tout en permettant aux électrons BAD ORIGINAL H 28344 8 2056929 immédiats d'énergie supérieure d'atteindre le collecteur pour y engendrer un courant de signalisation de puissance formé exclusivement en pratique par lesdits électrons immédiats et représentant la valeur instantanée du flux combiné de neutrons et 5 de radiations gamma réagissant avec l'émetteur.