Brevet FR2461341A1 — publié le 19810130

La présente invention concerne un câble électrique conducteur, insensible aux rayonnetrents nucléaires. Cette invention s applique notamment dans les réacteurs nucléaires, à la mesure en continu de diverses grandeurs physiques telles que le flux de neutrons thermiques ou rapides, l'intensité du rayonnement y, des déformations etc... Généralement, ces mesures sont effectuées à l'aide de sondes qui délivrent un signal électrique qui doit être transporté de la sonde parfois immergée dans le coeur du réacteur, jusqu'à un appareil de mesure situé dans une salle de contrôle extérieure. Les câbles conducteurs qui sont utilisés sont souvent perturbés par des courants ou des tensions para- sites, en particulier dans la partie de ces câbles qui est intérieure au coeur du réacteur ou très proche de celui-ci, sous l'influence des rayonnements émis par le combustible: neutrons et f de désactivation, rayonnements y et électrons émis au moment de la capture des rayonnements y. Ces pertur- bations peuvent être importantes notamment si la longueur irradiée du câble est relativement grande ou si la sonde a une faible sensibilité visà-vis de celle du câble. Il résulte de ces perturbations qu'il est pratiquement impossible d'effectuer certaines mesures telles que par exemple, la mesure en continu du flux de neutrons rapides. Ces signaux parasites résultant des perturbations, rendent également le détecteur inutile pendant une certaine durée, lorsqu'il s'agit d'effectuer des mesures de phénomènes transitoires rapides dont la connaissance est essentielle pour améliorer la sécurité des réacteurs rapides. Ces courants et tensions parasites obligent souvent à utiliser des détecteurs de très grand volume si l'on veut mesurer instantanément le flux de neutrons thermiques. Diverses solutions ont été envisagées pour remédier à cette trop forte sensibilité des câbles de transmission de signaux entre les sondes de mesure et les appareils de mesure. L'un de ces solutions consiste, pour obtenir un signal utile très supérieur au bruit engendré dans le câble, à augmenter la sensibilité du détecteur en augmentant ses dimensions. Cette solution n'est cependant pas toujours envisageable, notamment lorsqu'il est impossible de disposer de la place nécessaire pour loger ce détecteur encombrant qui d'autre part, perturbe le champ de rayonnement à mesurer. De plus, cette solution qui ne s'attaque pas à la cause des perturbations ne permet pas de mettre au point des détecteurs présentant une faible sensibilité relative, par exemple pour la mesure des flux de neutrons rapides. Une autre solution consiste à utiliser un câble conducteur blindé bifilaire. Les deux conducteurs intérieurs sont censés véhiculer le même courant parasite; l'un des deux conduc- teurs est relié au détecteur alors que l'autre, qui est conducteur de compensation, ne l'est pas. En soustrayant le signal du conducteur de compensation, du signal produit par le détecteur et son conducteur de liaison, il est possible de s'affranchir en partie du signal parasite produit dans le câble. Cette solution n'est pas parfaite. En effet, il est plus difficile et plus coûteux de mesurer deux signaux et d'en extraire la différence, que de ne faire qu'une seule mesure. De plus, on sait qu'une grandeur obtenue par différence de deux grandeurs voisines est facilement affectée d'une erreur relative très importante; enfin, il est très difficile, voire même impossible, de fabriquer un câble bifilaire symétrique et il en résulte que les deux conducteurs ne délivrent jamais le même signal parasite et que les utilisa- teurs s'orientent généralement vers l'utilisation de deux câbles blindés monofilaires plutôt que vers l'utilisation d'un câble bifilaire. Dans la solution qui utilise deux câbles blindés monofilaires, l'un sert à la mesure et l'autre à la compensation. Cette solution a pour principal inconvénient de doubler le nombre de fils de mesure, ce qui a pour résultat de doubler l'encombrement, le nombre des passages étanches, etc... et donc d'accroître le coût de telles mesures. Cette solution exige de plus que les deux câbles suivent le même chemin, de manière à être situés dans les mêmes champs de rayonnement. Cette contrainte ne peut pas toujours être respectée, il en résulte alors la production de signaux parasites différents dans chacun des câbles monofilaires. Enfin, comme pour le câble bifilaire, il est nécessaire d'effectuer des mesures par différence, qui entraInent une erreur relative très élevée. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et notamment de réaliser un câble électrique conducteur insensible aux rayonnements nucléaires, qui ne néces- site pas comme dans les solutions envisagées précédemment, d'utiliser une structure bifilaire ou des détecteurs de dimensions importantes. Ce but est atteint grâce au câble conducteur de l'invention, qui présente une structure le rendant très peu sensible aux rayonnements nucléaires, et notamment aux neutrons, aux rayonnements y, aux électrons extérieurs. L'invention a pour objet un câble électrique conducteur, insensible aux rayonnements nucléaires, comprenant au moins une âme conductrice, au moins une couche d'une substance isolante entourant cette âme conductrice et au moins une gaine conductrice entourant cette couche isolante, caractérisé en ce que le diamètre 0D de la gaine, le diamètre 0B de l'âme conductrice, le diamètre 0C de la couche isolante, sont liés par la relation 02 F2 1 20B = 2 2 arc sin 2 2 02D0C F1 360 0D + 0C F1 représentant la fraction de rayonnements e qui sont issus de l'âme et qui atteignent la gaine, F2 représentant la fraction des rayonnements issus de la gaine et qui atteignent l'âme, la substance isolante étant constituée par un mélange d'au moins deux oxydes métalliques. Selon une autre caractéristique de l'invention, la gaine et l'âme sont des métaux ou alliages de métaux, ces métaux présentant chacun un numéro atomique inférieur ou égal à et une faible section efficace aux neutrons. Selon une autre caractéristique, l'un ou les uns des éléments métalliques des oxydes métalliques constituant la couche isolante présentent un numéro atomique inférieur à celui de la gaine et de l'âme et en ce que l'autre ou les autres de ces éléments métalliques présentent un numéro atomique supérieur à celui de la gaine et de l'âme. Selon une autre caractéristique, la substance isolante présente une faible section efficace aux neutrons. Selon une autre caractéristique, la gaine et l'âme sont en acier inoxydable à faible teneur en manganèse. 4 2461341 Selon une autre caractéristique de l'invention, l'iso- lant est composé de deux oxydes métalliques choisis dans la liste suivante: M gO, Al203, BeO, SrO, NbO, ZrO2. Selon une autre caractéristique, une couche de surgai- nage en zirconium est interposée entre l'âme et la couche isolante. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, données à titre purement illustratif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure l représente en coupe transversale, un câble conforme à l'invention; - la figure 2, deux couches de matériaux différents soumis à des rayonnements et dans lesquelles circulent des courants résultants; et - la figure 3 représente schématiquement les courants qui circulent dans l'âme, la couche isolante et la gaine du câble de la figure 1, lorsqu'il est soumis à des rayonnements. En référence à la figure 1, on a représenté un câble coaxial conforme à l'invention qui comprend au moins une âme conductrice 1, au moins une couche 2 d'une substance isolante entourant cette âme conductrice, et au moins une gaine conduc- trice 3 entourant cette couche isolante. Afin de diminuer la sensibilité du câble aux rayonnements nucléaires, comme on le verra par la suite, il est possible d'introduire une couche de surgainage 4, de type métallique, entre l'âme conductrice 1 et la couche isolante 2. Si l'on désigne par 0B ' OC ' 0D les diamètres respec- tifs de l'âme conductrice 1, de la couche isolante 2 et de la gaine 3, pour que le câble ainsi constitué soit insensible aux rayonnements nucléaires, il est nécessaire, comme on le verra par la suite, que la relation: 2 F2 l 2ÏB 2__ 2 = 2 arc sin 02 02 F 360 + soit respectée. *5 2461341 Dans cette relation, F1 représente la fraction des rayonnements _ qui sont issus de l'âme l et qui atteignent la gaine 3, correspondant à la transmission des milieux traversés avant d'arriver à la gaine (notamment, comme on le verra plus loin en détail, la substance iso- lante qui constitue la couche 2 et qui est formée par un mélange d'au moins deux oxydes métalliques); par contre, la fraction des _ issus de la gaine 3 et qui atteignent l'âme l est à peu près égale à F2 X a0 F2 étant également la transmission des milieux traversés avant d'arriver à l'âme, et a l'angle moyen sous lequel on voit l'âme conductrice i à partir d'un point M situé à mi-épaisseur de la gaine 3. Pour que les rayonnements e qui vont de l'âme vers la gaine et de la gaine vers l'âme s'équilibrent, il faut que les volumes sources Va et Vg qui émettent ces rayonnements à partir de l'âme ou à partir de la gaine, obéissent à la relation Va F 2 a Vg F1 * 360 Si l'on désigne a en fonction du diamètre de l'âme et du diamètre moyen de la gaine, il en résulte que Sin 2a 0B+ 2 D t d'o l'on tire B a = 2 arc sin 0 + 0 Il est également possible d'exprimer le volume source Va, en fonction du diamètre de l'âme et de la longueur consi- dérée h de cette âme soumise aux rayonnementset d'exprimer aussi le volume source Vg de la gaine, en fonction du diamètre externe 0D et du diamètre interne 0C de cette gaine, et de la longueur considérée h de celle-ci, le long du câble: Va = _. 02 x h *=4(D h; g = O2 _2) Vg 4 2 F2 _ _ Il en résulte que Va 02 F2 c Vg 02 02 F1 360 0D C 0 F2 20B d'o l'on tire 2 2 - =. 2 arc sin 0 - 0 F 360 D + 0C Les dimensions de l'âme, de la couche isolante et de la gaine, doivent obéir à cette relation pour qu'il y ait compen- sation des rayonnements 6 allant de l'âme vers la gaine et de la gaine vers l'âme. Ces dimensions procurent aussi une diminution de la sensibilité du câble aux neutrons. Le surgainage intérieur constitué par la gaine métallique 4, qui entoure l'âme conductrice 1, permet de diminuer la sensibilité du câble aux rayonnements y de basse énergie. La géométrie du câble, comme indiqué plus haut, est très importante pour que celui-ci soit insensible aux rayonnements nucléaires. On va maintemant montrer, en référence à la figure 2, que la nature des matériaux utilisés est elle aussi importante pour réduire cette sensibilité, notamment aux rayonnements y. La figure 2 représente deux couches Ci, C2, de matériaux différents, soumises par exemple à un rayonnement y. On sait que les électrons secondaires qui participent à la formation des courants parasites, sous l'influence des rayonnements y, présentent des énergies inférieures ou égales à celles de ces rayonnements, et présentent donc de faibles parcours dans la matière. Puisque le parcours des électrons est faible, sous l'influence des rayonnements y, seule une mince couche du matériau C1 peut envoyer des électrons dans le matériau C2 créant ainsi un courant 1-2 et inversement pour le matériau C2 qui envoie des électrons dans le matériau Cl, en créant un courant I2-l' Le courant I envoyé du matériau C vers le-matériau 1-2 1 C2 est proportionnel au volume V1 du corps C1 à partir duquel des électrons peuvent être émis vers le matériau C2; ce volume V s'exprime par la relation: V1 = S 2.e. Dans cette relation Sl2 est la surface du matériau Cl en regard du matériau e3 est l'épaisseur du matériau C1 que peuvent traverser les électrons; cette épaisseur est proportionnelle au parcours RE) des électrons d'énergie E et inversement proportionnelle au rapport Z du matériau Cl, ainsi qu'à la densité pl du matériau C1; Z désigne le nombre atomique du matériau considéré, tandis que A désigne sa masse atomique. On peut alors écrire: 112 1 kPl S 1 (L I1-2 =klR(E)S 1-2 pl Z Cette relation est applicable au cas des électrons monoénergétiques d'énergie E. Le courant I1-2 est également proportionnel à la probabilité V d'évènements photoélectriques et Compton, dans ce volume V1. Il est donc possible d'écrire: 1' = (E) pl p Dans cette relation, p (E) est le coefficient d'absorp- tion en cm2/g, qui varie beaucoupPavec la nature des matériaux et l'énergie des rayonnements y. Il est alors possible d'écrire: 11 K R S 2(il (E)>. A ( E) pA I1_2 = K 1.(E) S1-2 (p) z Enfin, le courant I1i2 envoyé du matériau C1 vers le matériau C2, est proportionnel au flux 9(E) des rayonnements y d'énergie E. En référence à la figure 3, on a représenté schémati- quement la superposition de l'âme conductrice 1, de l'isolant 2 et de la gaine 3. Sur cette figure, on a représenté par des flèches le courant Ia/iso qui circule de l'âme vers l'isolant, le courant Iiso/a qui circule de l'isolant vers l'âme, le courant Iiso/g qui circule de l'isolant vers la gaine, et le courant Ig/iso qui circule de la gaine vers l'isolant. Il est alors possible d'écrire à un coefficient de proportionnalité K2 près, que le bilan total des courants circulant dans le câble par suite de l'influence sur ce câble des rayonnements 0 est égal à: I = K2 (Ia/iso Iiso/a + Iiso/g - Ig/iso), 8 2461341 ou encore I K R liA (ECA) il E).A)+ I (E) t(E) R(E) [ EA P) Z (>A P Z iso ( ig 1l(E) A) (Og il(E) A) P z) iso p z Dans cette expression, 0A désigne le diamètre extérieur de l'âme, tandis que 0g désigne le diamètre intérieur de la gaine. Le premier terme contenu dans la parenthèse est relatif au matériau qui constitue l'âme, les deuxième et troisième termes sont relatifs aux matériaux qui constituent l'isolant, tandis que le quatrième terme est relatif au matériau qui constitue la gaine. Si l'on pose: )A> (E) A) + (ó p(E)A _(E) a OA( __ __ _ -(0Ap Z9 A> a P 'Z) iso zP Z iso P gg = H(E,Zi, 0i), il est possible d'écrire: Co 1= YK(E) 9(E) R(E) L(E)' Zi, ói dE Pour réduire la sensibilité du conducteur aux rayonne- ments y, cette expression doit présenter une valeur aussi proche que possible de zéro. Pour minimiser cette expression, il est possible de minimiser le terme H (E, Zi, Oi), en utilisant des matériaux présentant un faible numéro atomique. Il est également nécessaire que les matériaux qui constituent l'âme, l'isolant et la gaine, présentent des numéros atomiques aussi voisins que possible, afin de diminuer la sensibilité différentielle résiduelle. Un matériau intéressant qui peut constituer la gaine ainsi que l'âme conductrice (qui doivent être solides, ductiles et résistantes aux températures élevées), est l'acier inoxydable dont tous les constituants ont un numéro atomique inférieur à 40 pour l'isolant, il est intéressant que celui-ci soit composé de deux oxydes métalliques choisis dans une liste qui comporte MgO, Al2o3, BeO, SrO, NbO, ZrO2. Cependant, il est à remarquer que dans un câble coaxial, la surface intérieure de la gaine est nécessairement plus grande que la surface extérieure de l'âme. En conséquence, il y a plus d'électrons qui vont de la gaine vers l'âme, que dans l'autre sens. Cette sensibilité négative doit être supprimée, et à cet effet, il est possible de choisir entre plusieurs solutions: l'une d'elle consiste à surgainer l'âme conductrice par une couche d'un matériau à numéro atomique élevé présentant une faible sensibilité aux neutrons; cette couche peut être du zirconium, (couche 4 - figure 1). Le matériau de ce surgainage a aussi pour avantage de présenter une grande section de capture des rayonnements y. Enfin, il est également possible, par un mélange bien dosé entre deux des isolants mentionnés plus haut et qui présentent respectivement des numéros atomiques respectivement plus faibles et plus forts que celui de l'âme et de la gaine (qui sont en acier inoxydable par exemple), de diminuer cette sensibilité résiduelle du câble aux rayonnements y. Cette dernière solution tend à annuler l'expres- sion H(E, Zi, 0i) mentionnée plus haut. Comme on l'a déjà indiqué, les oxydes métalliques les plus utilisés pour la réalisation de la couche isolante sont MgO, Al203, BeO, SrO, NbO, ZrO2. Ces oxydes permettent de réduire la sensibilité aux neutrons thermiques car ils présentent de faibles sections efficaces ac et aact' de capture et d'activation. Cette particularité est intéressante, car les particules y de capture neutroniques, produisent des déplacements d'électrons de l'âme vers la gaine ou inversement, par effet photoélectrique ou par effet Compton. Le même phénomène se produit aussi avec les particules e de désactivation. Ces déplacements d'électrons ou de particules e constituent des parasites instantanés et il en résulte que l'utilisation de matériaux présentant des sections efficaces faibles, est une condition importante. La magnésie MgO présente comme sections efficaces oc = 57 mb (millibarns) et aact = 3 mb. L'alumine (Al203) peut être également employée et présente comme section efficace aact 235 mb; elle a pour avantage de présenter une très importante résistivité électrique à haute température. La silice (SiO2) présente pour section efficace ac = 91 mb et aact = 3,4 mb. L'oxyde de strontium (SrO) présente pour section efficace ac = mb et aact = 5 mb; enfin, on peut également utiliser la la zircone (ZrO2)ou l'oxyde de niobium (NbO) et également la glucine ou oxyde de bérylium (BeO), qui présente pour section efficace ac = aact = 9 mb, qui sont négligeables; l'oxyde de bérylium est donc très intéressant pour sa faible sensibilité aux neutrons. Parmi les matériaux qui peuvent constituer l'âme conduc- trice et la gaine, on a cité l'acier -inoxydable. A titre d'exemple, un acier inoxydable qui contiendrait 70 % de fer, 18 % de chrome, % de nickel et 1 à 2 % de manganèse aurait pour section effi- cace ac = 3,14 b (barns) et aact = 205 mb. Avec un acier compor- tant moins de 0,1 % de manganèse, on aurait par contre: ac = 2,88 b et aact = 5,74 mb. Il est donc particulièrement intéres- sant d'utiliser pour l'âme conductrice et pour la gaine, un acier inoxydable spécialement appauvri en manganèse. Le câble électrique conducteur, à faible sensibilité aux rayonnements nucléaires, qui vient d'être décrit, permet d'améliorer les mesures de physique nucléaire effectuées avec des détecteurs. Il permet également de s'affranchir de l'usage des câbles compensés bifilaires, associés à un coteux appareil de mesures différentielles; de plus, il permet d'effectuer des mesures dans des réacteurs nucléaires de puissance, avec un faible rapport signal (du détecteur) sur bruit (du câble), et de diminuer le temps mort, notamment dans les mesures de phéno- mènes transitoires. REVENDICATIONS 1. Câble électrique conducteur, insensible aux rayonne- ments nucléaires, comprenant au moins une âme conductrice, au moins une couche d'une substance isolante entourant cette âme conductrice et au moins une gaine conductrice entourant cette couche isolante, caractérisé en ce que le diamètre OD de la gaine, le diamètre 0B de l'âme conductrice, le diamètre OC de lacouche isolante, sont liés par la relation O2 F2 l 20B 0B 2- 2 ___ 2 arc sin 2 2 F 360 2 r0C 0D- X1C iD + OC F1 représentant la fraction de rayonnements e qui sont issus de l'âme et qui atteignent la gaine;F2 représentant la fraction des rayonnements e issus de la gaine et qui attei- gnent l'âme, la substance isolante étant constituée par un mélange d'au moins deux oxydes métalliques. 2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gaine et l'âme sont des métaux ou alliages de métaux, ces métaux présentant chacun un numéro atomique inférieur ou égal à et une faible section efficace aux neutrons. 3. Câble selon l'une quelconque des revendications i ou 2, caractérisé en ce que l'un ou les uns des éléments métal- liques des oxydes métalliques constituant la couche isolante présentent un numéro atomique inférieur à celui de la gaine et de l'âme et en ce que l'autre ou les autres de ces éléments métalliques présentent un numéro atomique supérieur à celui de la gaine et de l'âme. 4. Câble selon la revendication 3, caractérisé en ce que la substance isolante présente une faible section efficace aux neutrons. 5. Câble selon la revendication 4, caractérisé en ce que la gaine et l'âme sont en acier inoxydable à faible teneur en manganèse. 6. Câble selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisé en ce que l'isolant est composé de deux oxydes métalliques choisis dans la liste suivante: MgO, Al203, BeO, SrO, NbO, ZrO2. 12 2461341 7. Câble selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'une couche de surgainage en zirconiumn est interposée entre l'âme et la couche isolante.