Brevet FR2478322A1 — publié le 19810918

L'invention concerne une cellule de mesure pour la surveillance en continu de la concentration du tritium dans l'eau par détection de son rayonnement [ avec une sensibilité de mesure inférieure à la "concentration maxi- male admissible" en tritium dans l'eau pour la popula- tion (CMAp). Les difficultés d'une telle mesure proviennent de la faible énergie du rayonnement 9 émis, de sorte que le parcours de ce rayonnement dans l'eau est de l'ordre du micron. En conséquence, seuls les rayonnements émis à cette distance peuvent atteindre le matériau scintilla- teur. Il est donc nécessaire d'augmenter la surface de contact entre le fluide et le matériau scintillateur. A cette fin, le dispositif de surveillance selon l'invention comporte une cellule de mesure formée par une chambre cy- lindrique contenant un grand nombre de billes scintilla- trices de faible diamètre et dans laquelle circule l'eau à contrôler. Différentes méthodes de mesure avec des scintil- lateurs liquides ou plastiques ont déjà été utilisées; on connaît notamment: - le mélange intime d'un scintillateur liquide avec un prélèvement de l'eau tritiée à analyser. Cette méthode de mesure présente effectivement une surface de contact maximale, mais n'autorise pas une mesure systématique en continu, - les scintillateurs solides plastiques utilisés sous dif- férentes formes géométriques (feuilles, bâtonnets, co- peaux), mais la limite de sensibilité des cellules uti- lisant de tels scintillateurs ne permet pas de mesurer une activité spécifique correspondant à moins d'un CMAp en tritium. Le dispositif selon l'invention utilise des bil- les scintillatrices et des hublots en quartz qui, par leur rendement élevé, permettent de mesurer moins de 1 de CMAp en tritium. P\.us précisément, le dispositif de surveillance selon l'invention, qui comprend une cellule de mesure, deux photomultiplicateurs situés en regard des hublots en quartz, une protection de plomb du scintillateur et des photomultiplicateurs contre les rayonnements extérieurs ambiants et contre la lumière, des circuits hydrauliques assurant la filtration et la circulation de l'eau dans la cellule, et une chaîne de mesure de l'activité des conta- minants dans l'eau, se caractérise en ce que la cellule de mesure comprend: - une chambre cylindrique, fermée par deux hublots en quartz dopé, et comportant une entrée et une sortie pour l'eau à contrôler, des grilles à maillage fin étant dis- posées sur l'entrée et sur la sortie du fluide, - des billes scintillatrices en quartz dopé de faible dia- mètre dans la chambre. Les billes scintillatrices sont des billes de quartz d'un diamètre inférieur à 1 mm. De préférence, la paroi de la chambre comporte, du côté de l'alimentation en eau, une gorge s'étendant sur un angle légèrement inférieur à 1800, de façon à répartir le liquide d'une façon uniforme à l'intérieur du volume occupé par les billes. Cette disposition permet d'éviter la formation de chemins préférentiels dans la chambre. De cette manière, le fluide contaminé circule autour du maxi- mum de billes pour réaliser la plus grande surface possi- ble de contact. Deux photomultiplicateurs situés de part et d'autre de la cellule détectent les photons émis et déli- vrent un signal sous forme d'impulsions électriques. Ces impulsions, après amplification, discrimination du bruit de fond, sommation et coïncidence sont séparées suivant deux classes d'énergie: l'une inférieure à un seuil de discrimination réglable en fonction des radioéléments pré- sents dans l'eau, comptabilise l'essentiel des impulsions dues au rayonnement 5 du tritium; l'autre classe d'éner- gie, supérieure au seuil de discrimination, totalise les autres impulsions. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins sur les- quels: - la figure 1 représente une vue schématique du dispositif de surveillance selon l'invention, - la figure 2 représente une vue, en coupe, du détail de la chambre cylindrique de la cellule, - la figure 3 représente une vue, en coupe, se- lon la ligne III-III de la figure 2, - la figure 4 représente un synoptique de la partie électronique de dispositif de surveillance selon l'invention. On a représenté sur la figure 1, une vue schéma- tique du dispositif de surveillance selon l'invention. On a désigné par la référence 2 la cellule de mesure. Cette cellule 2 est raccordée à un circuit hydraulique assurant la circulation de l'eau dans celle-ci. Ce circuit hydrau- lique comprend deux électrovannes 4 et 6 de sélection du prélèvement. L'électrovanne 4 est branchée sur le circuit à surveiller. Elle est ouverte au cours du fonctionnement normal du dispositif de surveillance. L'électrovanne 6 est utilisée pour l'étalonnage du dispositif de mesure. Afin de contrôler la sensibilité de l'appareil, on branche le circuit de prélèvement sur un réservoir d'eau tritiée d'activité connue. L'eau dont on désire surveiller la concentration en tritium est amenée par une canalisation 8 jusqu'à une pompe 10, par exemple une pompe à engrenage. Le circuit hydraulique comporte encore deux vannes 12 et 14 à comman- de manuelle qui permettent de régler le débit grâce à la dérivation 13, un manomètre 16 de contrôle de la pression à la sortie de la pompe, et un manomètre 17 de contrôle du 247(322 colmatage du dispositif de filtrage, un ensemble de fil- tration comprenant un préfiltre 18, à membrane de porosité 0,51, un filtre défériseur 20, et un filtre à ions d'ar- gent 22. Une canalisation 24 amène l'eau filtrée jusqu'à la cellule de mesure 2. Un volume-tampon 26 avec mise à l'air libre, raccordé au circuit par l'électrovanne 28, sert à la détente du circuit et permet de vider la cellule 2 par siphonnage. Un débitmètre 30 permet de mesurer le débit instantané de la cellule 2. Ce débitmètre est muni d'un contact de défaut de débit minimum qui se ferme lors- que le débit de l'eau tombe en dessous d'une valeur don- née. Un compteur de débit 32 totalise la quantité d'eau passée dans la cellule de mesure. Enfin, le circuit hy- draulique comporte deux électrovannes de retour circuit 34 et 36, et deux vannes de vidange 38 et 40. On a représenté sur la figure 2, une vue de dé- tail de la cellule de mesure 2. Elle comporte un panier 42, de forme extérieure parallélépipédique, qui délimite une chambre cylindrique 44. Deux raccords automatiques 46 et 48 raccordés sur le circuit hydraulique assurent la circulation de l'eau dont on veut mesurer la concentration en tritium à l'intérieur de la cellule 2. L'entrée du fluide s'effectue par le raccord 46, et sa sortie par le raccord 48. La circulation s'effectue ainsi de bas en haut, ce qui évite tout emprisonnement de bulles d'air. L'étanchéité entre les raccords 46 et 48 et le reste du circuit est assurée par des joints toriques (non représen- tés). Comme on peut le voir sur la figure 3, qui re- présente une vue en coupe selon la ligne III-III de la cellule de mesure représentée sur la figure 2, la chambre 44 est fermée par deux hublots 54 en quartz dopé. La cham- bre 44 contient des billes scintillantes 56. Le diamètre de ces billes est inférieur à 1 mm, Elles occupent un vo- lume de 60 cm3. Ces billes sont en quartz, dopé au cérium, et renfermant des traces de titane et d'alumine. Ce matériau est un excellent scintillateur sen- sible aux rayons P de faible énergie comme ceux du tri- tium. Avec ces billes, on a pu obtenir un rapport si- gnal/bruit s > 50 pour une CMA, c'est-à-dire pour une con- centration en tritium égale à la concentration maximale admissible. La sensibilité est ainsi au moins 10 fois supé- rieure à celle obtenue avec des billes en matière plasti- que. De plus, les billes en quartz peuvent être faci- lement régénérées par nettoyage. En effet, l'inertie chi- mique de ce matériau permet l'utilisation d'acides concen- trés qui sont des agents de nettoyage efficaces. Deux grilles à maillage fin, une grille infé- rieure 50 et une grille supérieure 52, en acier inoxyda- ble, maintiennent les billes scintillantes 56 dans la chambre 44. Le maillage des grilles 50 et 52 est de 16't. On a pratiqué à l'intérieur de la chambre 44, du côté de l'entrée du fluide une gorge qui s'étend sur un angle au centre, légèrement inférieur à 1800. La gorge 60 a pour fonction de répartir le liquide de façon uniforme à l'intérieur du volume occupé par les billes 56. Il est en effet impératif d'éviter la formation de chemins préféren- tiels de façon que le fluide chargé de la contamination radioactive circule autour du maximum de billes 56 pour réaliser la plus grande surface possible de contact. Ainsi, dans l'exemple de réalisation décrit, cet angle est de 150 . D'une manière identique, du côté de la sortie du fluide, on a réalisé une gorge 62 qui facilite la sortie de l'eau hors de la chambre. Des essais par injection d'un colorant dans de l'eau en amont de la cellule ont permis de mesurer l'homo- généité de la coloration sur toute la surface. Le temps de coloration uniforme du panier est de 6 secondes pour un 247S322 débit de 20,1/h. Ce temps de coloration de 6 secondes re- présente ainsi le temps de réponse de la cellule. Deux photomultiplicateurs 64 à fenêtres de quartz et à bas bruit de fond sont situés de part et d'au- tre de la cellule 2 contre les hublots en quartz dopé 54. Une protection de plomb contre les rayonnements extérieurs ambiants entoure la cellule et les deux photo- multiplicateurs et se présente sous la forme de deux co- quilles semi-sphériques 65 entourant le panier 42 et pro- longées par deux cylindres enveloppant les photomultipli- cateurs. Ces protections sont montées sur deux barreaux cylindriques par l'intermédiaire de douilles coulissan- tes. On accède à la cellule en écartant les deux co- quilles 65. La commande de ces coquilles s'effectue à l'aide d'un volant commandé manuellement. Cette protection assure également l'étanchéité à la lumière du scintilla- teur et des photomultiplicateurs. La cellule 2 comporte trois modes de fonctionne- ment: l'analyse, l'étalonnage et la vidange. L'analyse correspond au fonctionnement normal de la cellule de mesure. Le circuit hydraulique est alors branché directement par l'électrovanne 4 sur le circuit à surveiller. Les électrovannes 4 et 34 sont ouvertes, tan- dis que les électrovannes 6, 28, 36 sont fermées. L'étalonnage permet de contrôler la sensibilité de l'appareil en le branchant par l'intermédiaire de l'électrovanne 6 sur un réservoir d'eau tritiée d'activité connue. Les électrovannes 6 et 36 sont alors ouvertes, tandis que les électrovannes 4, 28, 34, sont fermées. La vidange a lieu après chaque opération d'éta- lonnage ou avant d'effectuer un changement de cellule. Elle consiste à vider tous les circuits hydrauliques. Les électrovannes 4, 6, 34 sont fermées et les électrovannes 28 et 36 sont ouvertes. Le fonctionnement du circuit hydraulique est le suivant. Les vannes de réglage 12 et 14 assurent grâce à la dérivation 13 dans la cellule 2 un débit compris entre et 50 litres par heure tout en conservant un débit de prélèvement constant de 80 1/h environ. Ce dispositif per- met de diminuer le temps de réponse entraîné par les volu- mes morts dus aux tuyauteries de prélèvement, dont la lon- gueur et le diamètre sont importants. Le débit de mesure est fixé à 20 1/h. La pres- sion dans le circuit est comprise entre 1 et 5 bar. Les filtres 18, 20 et 22 permettent d'éviter une pollution chimique rapide des billes scintillantes 56, pollution qui aurait pour conséquence une perte de sensi- bilité à l'activité. On a constaté une perte de sensibili- té du scintillateur de 10% seulement après un passage de 30 m3 d'eau. Le manomètre 17, le débitmètre 30 et le compteur de débit 32 permettent de contrôler le colmatage des fil- tres 18, 20 et 22 et de changer ainsi les cartouches de ces filtres en fonction de la qualité de l'eau de prélèvement. Le volume total du circuit hydraulique est de 6 1, dont 3,8 1 pour les filtres. On a représenté sur la figure 4 un synoptique de la partie électronique du dispositif de surveillance selon l'invention. La chaîne de mesure est constituée par les appa- reils qui reçoivent le signal du détecteur qui le trans- forment et l'amplifient. Cette chaîne comprend le scintil- lateur constitué par les billes 56, les hublots 54 et les, photomultiplicateurs 64 disposés de chaque côté de la cel- lule 2. Un amplificateur-discriminateur 66 assure l'ali- mentation en haute tension stabilisée, l'amplification et la discrimination du bruit de fond des signaux issus des deux photomultiplicateurs 64. Les signaux amplifiés issus de l'amplificateur 66 sont introduits dans un tiroir de coïncidence 68. Ce circuit ne délivre un signal de sortie d'amplitude convenable que lorsque deux impulsions ont été 247C322 appliquées simultanément à l'entrée. Il permet en outre de séparer en deux classes d'énergie les impulsions issues des photomultiplicateurs 64. L'utilisateur peut en effet régler un seuil de discrimination ST en fonction de la nature des radioéléments dont la présence dans l'eau que l'on désire contrôler est la plus probable. Une première voie de mesure dite "voie tritium" comptabilise les impul- sions inférieures au seuil ST, dues essentiellement aux rayons P du tritium, ainsi qu'à une participation plus ou moins importante des autres contaminants de l'eau. L'autre voie de mesure dite "voie de mesure globale" comptabilise les autres impulsions supérieures au seuil de discrimina- tion ST. Ces impulsions sont dues en particulier aux autres contaminants radioactifs de l'eau, à un bruit de fond d'origine nucléaire, cosmique ou provenant du rayon- nement y ambiant, et à un faible rayonnement du tritium. En face avant, un commutateur à deux positions facilite les tests et les réglages en orientant sur une sortie les impulsions des voies V1 et V2. La chaîne de mesure comporte encore deux tiroirs ictomètres 70, qui indiquent la fréquence moyenne des im- pulsions qui leurs sont appliquées. Ce sont deux ictomè- tres logarithmiques analogiques. Un galvanomêtre-gradué en coup par seconde de 0,1 à 105 coups par seconde permet d'apprécier le taux de comptage de la sortie choisie. Une sortie enregistreur- est en outre disponible. Un tiroir de mise en forme 72 assure la mise en forme et l'isolement galvanique des impulsions fournies par le tiroir de coincidence 68 et permet d'attaquer soit des échelles de comptage, soit des organes centralisés et informatisés. En 71, on a indiqué l'alarme tritium, qui se déclenche lorsqu'un seuil prédéterminé est dépassé. Un tiroir de servitude 74 comporte des relais de découplage qui permettent de tester la chaîne de mesure à l'aide d'un générateur d'impulsions extérieures. Ce tiroir de servitude permet également de s'assurer du bon fonc- tionnement de l'appareil. Il signale en particulier un dé- bit insuffisant d'eau dans le circuit de mesure, un affi- chage défectueux d'un tiroir électronique et une mauvaise position du commutateur situé sur la face avant du tiroir de coïncidence tritium 68 qui permet de sélectionner la voie de mesure. Une platine électrique 76 permet de commander l'ensemble de l'appareil. Elle assure en particulier la succession des différentes phases de fonctionnement: ana- lyse, étalonnage et vidange. Ces opérations, commandées par trois boutons poussoirs situés sur la face avant de l'appareil, peuvent être suivies sur un synoptique fonc- tionnel. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la surveillance en continu de la concentration du tritium dans l'eau, comprenant une cellule de mesure (2), deux photomultiplicateurs (64) si- tués en regard des hublots en quartz (54), une protection (65) de plomb du scintillateur (56) et des photomultipli- cateurs (64) contre les rayonnements extérieurs ambiants et contre la lumière, des circuits hydrauliques assurant la filtration et la circulation de l'eau dans la cellule (2), et une chaîne de mesure de l'activité des contami- nants dans l'eau, caractérisé en ce que la cellule de me- sure (2) comprend: - un panier (42) délimitant une chambre cylindrique (44), fermée par deux hublots (54) en quartz dopé, et compor- tant une entrée (46) et une sortie (48) pour l'eau à contrôler, des grilles (50, 52) à maillage fin étant disposées sur l'entrée et sur la sortie du flui- de (46, 48), - des billes scintillatrices en quartz dopé (56) de faible diamètre dans la chambre (44). 2. Dispositif de surveillance selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que les billes de quartz (56) présentes dans la chambre (44) sont des billes de quartz, d'un diamètre inférieur à 1 mm. 3. Dispositif de surveillance selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la paroi de la chambre cylindrique (44) comporte, du côté de l'alimentation (46) en eau, une gorge (60) s'étendant sur un angle légèrement inférieur à 1800, de manière à répar- tir l'eau de façon uniforme à l'intérieur du volume occupé par les billes (56). 4. Dispositif de surveillance selon l'une quel- conque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le circuit hydraulique comporte un préfiltre (18) à membrane, un filtre défériseur (20) et un filtre à ions d'ar- gent (22).