Brevet FR2170109A1 — publié le 19730914

La présente invention a pour objet un dispositif de détection du flux neutro nique à l'intérieur de noyau d'un réacteur nucléaire, en particulier du type à faible encombrement comme ceux qui sont utilisés pour la propulsion des navires. L'invention vise plus spécialement une sonde neutronique souple utilisant des détecteurs du type auto-alimenté, convenant spécialement à l'établissement de la carte du flux neutronique à l'intérieur du coeur d'un réacteur nucléaire. Les dispositifs utilisés jusqu'à ce jour pour établir la carte du flux neutronique dans le coeur d'un réacteur nucléaire sont constitués, en général, par une série de chambres minuscules d'ionisation ou par des détecteurs auto-alimentés rigides, ou encore par d'autres dispositifs fixes à l1intérieur du coeur ou coulissant dans des organes de guidage rigides. Tous ces systèmes, en raison de leur rigidité t de leur encombrement imposé par les rails de guidage: se sont révélés convenant mal à leur utilisation dans des coeurs de réacteurs de faibles dimensions, comme par exemple ceux qui sont utilisés pour la propulsion des navires qui sont extrêmement tassés. En outre, les matériaux utilisés dans les dispositifs de détection de la technique antérieure sont des matériaux de forte capacité d'émission, et cette propriété, bien qu'avantageuse du point demie du rende- ment, est liée à une variabilité importante de la courbe d'émission en fonction du temps. A cette fin, l'un des objets de l'invention est de réaliser une sonde de détection du flux neutronique à l'intérieur du coeur d'un réacteur nucléaire qui possède une souplesse qui permette de l'introdîrre dans le bac à pression du réacteur, suivant des chemins même très tortueux, jusqu'à atteindre une position axiale quelconque du noyau dans lequel on veut effectuer l'établissement de la carte du flux. L'invention vise également une sonde de détection du flux neutronique dans le coeur d'un réacteur nucléaire, sonde capable de fournir des indications .constantes dans le temps et qui n'exige donc pas des réétalonnages fréquents. L'invention assure, de plus, des avantages certains par rapport aux dispositifs antérieurs, du fait que le dispositif de détection peut, aussi bien en phase de montage qu'en phase de démontage et de remplacement être installé ou déplacé sans qu'il soit nécessaire de retirer le couvercle du bac à pression du réacteur. Cela simplifie et accélère les opérations périodiques d'échange du combustible. L'invention permet de satisfaire a toutes ces conditions grâce à une sonde de détection du flux neutronique dans le coeur d'un réacteur nucléaire, en particulier du type de marine, ladite sonde étant essentiellement caractérisée par le fait qu!elle comprend au moins un élément sensible souple constitué par un câble coaxial actif dont l'âme est en un matériau sensible aux radiations neutroniques de façon a émettre des particules béta et des électrons, par un revêtement isolant entourant cette âme et par une gaine conductrice entraînant ce revêtement isolant, et au moins un détecteur de courant servant à mesurer le courant entre l'amie et la gaine. Ce câble coaxial actif peut être enroulé en spirale. Suivant une autre caractéristique, la sonde souple comprend plusieurs éléments sensibles à câbles coaxiaux enroulés en spirale, les différentes spirales étant alignées et coaxiales. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressorti ront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation de 11 invention. Sur ces dessins, - la figure 1 est une vue de coté, partiellement schématique, d'un élément sensible au flux neutronique pour une sonde selon l'invention, cet élément étant branché sur un détecteur de courant; - la figure 2 est une coupe axiale d'un détail de la figure i; - la figure 3 est une coupe axiale d'une variante de la figure - les figures 4a, 4b et 4c donnent, réunies, une vue en coupe axiale d'une partie d'une sonde comprenant plusieurs éléments sensibles de la figure 1; enfin - les figures 5 à 8 sont des coupes transversale faites respectivement suivant les lignes V-V, VI-VI, VII-VII et VIII-VIII des figures 4a, 4b et 4c, et - la figure 9 est un schéma qui met en évidence une caractéristique avantageuse de l'invention. Un élément sensible 10, représenté sur la figure 1, comprend un câble coaxial actif 11, enroulé en spirale, ayant une âme 12 en un matériau sensible au flux neutronique, c' est-à-dire en un matériau qui remet des électrons quand il est bombardé par des neutrons, et une gaine métallique tubulaire 14, coaxiale a I'ame 12. L'intervalle entre cette ame et cette gaine est rempli par un matériau isolant 16, par exemple de l'oxyde de magnésium. Le câble coaxial actif 11 se termine, une extrémité, par un manchon 18 de liaison avec une queue 20 constituée par un tube métallique plein ayant le même diamètr; que le câble coaxial 11. A l'autre extrémité, le cible coaxial 10 est prolongé par un manchon 22 (représenté également sur la figure 2) qui relie le câble coaxial actif 11 a un câble coaxial neutre 24. Ce dernier a une structure identique å celle du câble coaxial actif 11, avec cette seule différence que l'amie centrale active 12 y est remplacée par une ame 26 dont l'émission électronique sous l'effet d'un bombardement neutronique est négligeable. La gaine 14 et l'même centrale 26 du câble coaxial neutre 24 sont reliées aux deux bornes d'un instrument 28 de mesure du courant, par exemple un galvanomètre ou un instrument de mesure plus complexe, par exemple un appareil électronique. On voit mieux, sur la figure 2, la structure des câbles coaxiaux 11 et 24 et du manchon 22. Ce dernier comporte un tronçon tubulaire externe 30, aux extrémités duquel sont enfilés respectivement les bouts du cable coaxial actif 11 et du cable coaxial neutre 24. La liaison mécanique est assurée par des soudures 32 et 34, des gaines 14 sur le corps tubulaire 30, et par une soudure 36 qui relie les deux 9mes 12 et 26. Un petit cylindre creux 38 en alumine sert de pièce d'écartement pour éviter les contacts entre les amers et la gaine a l'intérieur du manchon 22. L'élément sensible 10 donne naissance, lorsqu'il est bombardé par un flux de neutrons, à un courant d'électrons proportionnel b ce flux. Ce courant, mesuré par le détecteur 28, fait connattre la valeur du flux, après un étalonnage initial de l'élément sensible. La disposition en spirale du câble coaxial actif 11 permet d'augmenter la longueur de l'âme active pour une même longueur d'élément sensible 10, par rapport un câble linéaire et, par suite, à égalité de sensibilité de l'élément 10, on peut utiliser pour l'amie 12 un matériau de sensibilité spécifique moindre, et, par conséquent, ayant une meilleure stabilité dans le temps. Cela permet d'éviter de fréquents réétalonnages de l'élément sensible qui sont nécessaires dans les dispositifs de détection de la technique antérieure. Dans le câble de liaison 24, qui est soumis dans le coeur du réacteur à un flux gamma, prend naissance, par effet photoélectrique Compton et Pais, un courant d'électrons (I ) qui, généralement, va de la gaine à l'âmes Un tel courant se retranche de celui qui est engendré par les neutrons dans le câble émetteur du détecteur et il constitue une source d'erreurs. Ces erreurs sont amplifiées par le fait que ce type d'émission a lieu même dans le cable coaxial neutre 24 qui relie le câble coaxial actif 11 l'appareil de mesure 28, et, comme le câble neutre peut avoir une grande largeur, le courant I peut provoquer des erreurs inadmissibles. La figure 3 représente, a cette fin, une variante du câble coaxial neutre 24 permettant de compenser l'erreur provoquée par le rayonnement gamma sur le cable de liaison. Selon cette variante, le câble coaxial neutre comprend, en plus de la gaine 114 et de l'isolant 116, deux ames centrales, l'une 126 reliée à l'ame 112 de câble coaxial actif, et l'autre 127, dépourvue de toute liaison. Les âmes 126 et 127 sont reliées chacune à un détecteur de courant 128,129 . Le détecteur 128 indique donc un courant I (Iy) n y tandis que le détecteur 129 indique un courant -(I ) , résultant du rayonnement sur le câble coaxial neutre. Laconnaissance de ce courant (I ) permet donc de corriger l'indication du détecteur 128.Bien entendu, cette correction peut se faire automatiquement grâce un détecteur monté de façon différentielle entre les smes 126 et 127. Dans le cabale coaxial actif 11 prend également naissance, sous l'effet du flux gamma, un courant de signe négatif -(Iy) a ca' identique à celui qui est engendré dans le câble neutre 24, décrit ci-dessus, 9 savoir (Iy)ci Ce courant se retranche donc, lui aussi, du courant In produit par les neutrons dans le cable émetteur et il ne peut être compensé par la variante décrite ci-dessus du câble neutre 24. Ce phénomène provoque une atténuation du signal utile engendré par le cible coaxial actif li mais, suivant une autre propriété de l'invention, on peut l'utiliser favorablement pour améliorer les caractéristiques d'utilisation du détecteur. Des expériences ont, en fait, montré que, tandis que pour une variation échelonnée du flux neutronique, le courant In engendré dans le câble actif 11 varie avec un retard ayant une constante de temps de l'ordre de quelques minutes, le courant-(I ) engendré dans le câble actif 11 par r ca le flux gamma, par suite d'une variation échelonnée de ce flux presque simultanée avec la variation du flux neutronique, subit une variation que l'on peut qualifier de subite. Comme représenté sur la figure 9, qui est un graphique représentant l'allure de plusieurs courants dans le détecteur en fonction du temps, le courant å la sortie du détecteur I = -I -(I ) présente donc n r- ça un pic brutal (t Ir) s'il se vérifie une variation rapide du flux neutronique (instant to), que l'on a par exemple en cas d'extinction rapide du réacteur, ou en cas de chute accidentelle d'une barre de contrôle du réacteur. Grâce à un circuit électronique convenable, on peut utiliser le pic de courant "subit" fourni par ces détecteurs, pour informer les utilisateurs du réacteur de la chute accidentelle d'une barre de contrôle située à proximité du réacteur, et pour déclencher un effet de protection immédiat. L'élément sensible essentiel peut etre monté dans une sonde servant à la mesure du flux neutronique. Une sonde conforme à l'invention comprend plusieurs éléments sensibles des figures 1 et 2 ou de la figure 3, alignés suivant un axe commun comme représenté sur la figure 4 et dans les vues en coupe des figures 5 à 8. La figure 4 montre la composition d'une sonde multiple constituée par plusieurs éléments sensibles fondamentaux de la figure 1, et elle montre, de plus, la structure de divers éléments de support et de protection faisant partie de la sonde. Un tube de guidage interne 40 sert de support axial à la sonde. Le long de ce tube sont disposés plusieurs éléments sensibles 10a à 10d du type de ceux des figures 1 et 2 ou 3, comprenant chacun un câble coaxial actif 11 enroulé en spirale, chaque câble 11 étant relié à une extrémité, par l'intermédiaire de manchons 22, à des câbles coaxiaux neutres24 servant à l'acheminement du signal de chaque tronçon en spirale vers des détecteurs (non représentés sur la figure 4). A l'autre extrémité, chaque tronçon en spirale de câble coaxial actif est relié à un manchon 18 de liaison avec une queue neutre 20, constitué par un tube métallique du même diamètre que le câble coaxial. Pour cela, parallèlement au tube intérieur de guidage 40, sont disposés des câbles coaxiaux neutres 24 et des queues neutres 20, sur toute la longueur de la sonde De plus, parallèlement au tube de guidage 40 est disposé un tube 42 de plus faible diamètre, enroulé lui aussi en spirale au-dessous des spires des câbles coaxiaux actifs dans les tronçons non occupés par des manchons de liaison, servant de pièce d'écartement. Aux deux extrémités de la sonde, dans le prolongement des spires du câble coaxial actif, sont disposés des spirales 43, 45 de fil métalliqueo 20, de meme diamètre que l'un des éléments sensibles du chable coaxial 11, d'un côté jusqu'à une attache extrême de la sonde (non représentée), et. de l'autre cOté, jusqu'à une pointe hémisphérique 46, sur laquelle le fil est brasé avec les bouts de toutes les queues neutres, à raison d'une Far élément sensible.Sur la pointe 46 sont également brasés un til harmonique central 48, revêtu d'un petit cylindre de centrage 49 soudé, à l'autre extrémité, à un raccord 50 de liaison avec l'extrémité du tube de guidage interne 40, et une spirale d'espacement interne 52, coaxiale au fil harmonique 48 Cela confère à ltextrémité de la sonde des caractéristiques particulières de souplesse et lui épargne les chocs pendant sçr' itroduc tion dans le réacteur. Le long du bord de la pointe hémisphérique 46 sont. également fixés, grace à une brasure. à un anneau de fixation 54 retenu par un manchon brasé 55, des fils longitudinaux 58 antiLusure, qui occupent toute la longueur de la sonde et qui protègent les spirales du cible coaxial actif contre les chocs mécaniques extérieurs. A l'autre extrémité de la sonde, tous les câbles coaxiaux neutres des divers éléments sensibles sont reliés, au moyen de raccords non représentés, à autant de détecteurs qu'il y a d'éléments sensibles, en vue de fournir des renseignements sur le flux neutronique à des hauteurs différentes dans le coeur du réacteur. de façon à établir la carte du flux neutronique dans ce réacteur. On introduit la sonde dans le coeur du réacteur de préférence par le bas ou, si cela n'est pas facile, par le haut, et on la fait avancer dans le coeur, en profitant de sa souplesse pour contourner les obstacles et parcourir des courbes. I1 va de soi que la présente invention a été décrite ci-dessus à titre explicatif mais nullement limitatif et que l'on pourra y apporter toutes modifications de détail sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Sonde de détection du flux neutronique dans le coeur d'un réacteur nucléaire, en particulier du type de marine, caractérisée par le fait qu'elle comprend au moins un élément sensible souple constitué par un cible coaxial ayant une Bme en un matériau sensible au rayonnement neutronique pour émettre des particulesbétsetdss électrons, par un revêtement isolant entourant cette Bme et par une gaine conductrice entourant ce revetemen:t, et au moins un détecteur de courant servant a mesurer le courant entre cette gme et cette gaine. 2. Sonde de détection selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le câble coaxial actif de l'élément sensible est enroulé en spirale. 3. Sonde de détection selon chacune des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que le cible coaxial actif de l'élément sensible est terminé par une queue neutre. 4. Sonde selon chacune des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le cible coaxial actif de chaque élément sensible est branché sur un détecteur de courant par l'intermédiaire d'un cible coaxial neutre comprenant une ime en un matériau insensible au flux neutronique, un revetement isolant entourant cette ime et une gaine entourant ce revêtement. 5. Sonde selon la revendication 4, caractérisée par le fait que chaque cible coaxial neutre comprend une autre ime en un matériau insensible au flux neutronique et qu'un autre détecteur de courant branché entre cette autre ime et la gaine mesure le courant engendré par le cible coaxial neutre bombardé par le rayonnement. 6. Sonde selon chacune des revendications 1 à 5, caractérisée par le fait qu'elle comprend plusieurs éléments sensibles à cible coaxial actif enroulé en spirale, alignés suivant un axe commun. 7. Sonde selon la revendication 6, caractérisée par le fait qu'elle comprend un tube central souple de guidage le long de l'axe commun des spirales des éléments sensibles. 8. Sonde selon la revendication 4, caractérisée par le fait qu'elle comprend une extrémité spéciale souple qui lui permet de s'adapter aux courbes et contre-courbes imposées par la ligne de guidage. 9. Sonde selon chacune des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait qu'elle peut fournir un signal de courant subit sous l'effet d'une variation quelconque et rapide du flux neutronique. 10. Sonde selon la revendication 6, caractérisE par le fait qu'elle peut détecter la variation de flux résultant de la chute d'une barre de contrôle du réacteur, située au voisinage de la sonde, et fournir un signal permettant de prendre des mesures immédiates de protection.