Brevet FR2495786A1 — publié le 19820611

L'invention concerne un détecteur de radiation, auto-alimenté, ou à alimentation propre, qui est utilisé, de façon caractéristique, pour contrôler les radiations dans le coeur d'un réacteur nucléaire. Un détecteur de radiation, auto- alimenté utilise un câble émetteur central, entouré d'un moyen d'isolation et l'ensemble est placé coaxialement dans une gaine collectrice entourant l'isolant. L'expression "auto-alimentéi' ou à alimentation propre' signifie qu'il n'y a pas de potentiel d'entraînement entre les électrodes du détecteur, mais que le signal d'intensité est généré en fonction de la caractéristique de réponse aux radiations des matériaux constituant les électro- des de l'émetteur et du collecteur. En général, l'électrode de collecteur a une faible section aux neutrons; cette électrode est réfractaire et en un matériau non réactif tel qu'un alliage de nickel de type Inconel (marque déposée par International Nickel Co). Le matériau constituant l'émetteur est généralement choisi comme un matériau répondant le mieux aux radiations il peut s'agir d'un matériau répondant aux neutrons ou au rayonne- ment gamma, suivant l'application et le type de réacteur nu- cléaire. Le choix des matériaux de l'émetteur pour de tels détecteurs de radiation, auto-alimentés, utilisables dans le coeur d'un réacteur nucléaire, doit satisfaire à la fois à des conditions mécaniques et à des conditions de réaction nucléaire. Certaines des propriétés souhaitées sont une bonne ductilité, une température de fusion élevée, une section appropriée aux neutrons et/ou une probabilité d'interaction au rayonnement gamma. Le fait d'avoir à satisfaire à la fois aux caractéristi- ques mécaniques et aux caractéristiques nucléaires tend à réduire le choix des matériaux utilisables comme émetteurs dans un détecteur auto-alimenté. Certains des matériaux les plus large- ment utilisés sont le rhodium et le cobalt pour des détecteurs répondant aux neutrons, le platine pour des détecteurs répondant aJx rayonnements gamma. Un métal, le plomb, a une réponse aux radiations, très intéressante. eL présente une réponse gamma pratiquement pure, mais n'a pas été utilisé jusqu'à présent dans les applications au coeur des réacteurs à cause de son faible point de fusion. Dans les réacteurs lourds tels que le réacteur canadien Candu, le flux de neutrons et le rapport entre les 2 2495786 neutrons et le rayonnement gamma, sont plusieurs fois supérieurs à ceux existant dans les réacteurs à eau légère du type réacteur à eau sous pression. Ce flux élevé de neutrons donne une combus- tion excessive des matériaux répondant aux neutrons dans des détecteurs auto-alimentés. L'expression "combustion concerne la conversion atomique du matériau d'un état coopérant avec les neutrons en un état relativement inerte. En même temps, un détecteur auto-alimenté, très largement utilisé dans de tels réacteurs à eau lourde, utilise un émetteur de platine qui répond à la fois aux neutrons et aux radiations gamma. Un tel détecteur auto-alimenté à émetteur en platine donne une réponse mélangée qui est la somme de la réponse à l'interaction des neutrons et de la réponse au rayonnement gamma pour le matériau considéré, Etant donné le flux élevé en neutrons et la combus- tion du composant coopérant avec les neutrons, La réponse aux signaux varie de façon très notable en fonction du temps. Une difficulté plus inhérente est celle de l'interprétation du signal généré du fait qu'il est la somme d'une réponse aux neutrons et d'une réponse aux radiations gamma. Dans ces conditions, il est souhaitable, de façon générale, de réaliser un détecteur auto-alimenté ayant une réponse pure au rayonnement gamma. Une tentative faite dans le cadre de l'art antérieur pour obtenir un dispositif répondant uniquement au rayonnement gamma, a consisté à utiliser un alliage d'acier au nickel, tel que de l'Inconel, comme émetteur, avec un revêtement en platine autour de l'émetteur en Inconel. Cette structure abaisse pour le platine la réponse aux neutrons tout en n'influençant pas de façon notable la réponse au rayon- nement gamma. Cette structure de revêtement donne néanmoins une réponse mélangée, bien que la réponse soit déplacée pour être plus concernée par le rayonnement gamma que par les neutrons. La présente invention a pour but de créer un détec- teur de radiation nucléaire, auto-alimenté, comportant un câble émetteur central, allongé, entouré par un isolant, et une élec- trode de collecteur coaxialement par rapport à lémetteur et au moyen isolant, cet émetteur étant un alliage d'un premier métal formant le composant principal et qui présente une réponse élevée aux radiations, ainsi qu'un second composant, moindre. d'au moins un autre alliage métallique qui donne à l'alliage les caractéristiques thermiques ou mécaniques appropriées sans modifier de façon importante la réponse élevée, recherchée, aux radiations que présente le composant principal. De façon plus particulière, l'invention propose un détecteur de radiation, auto-alimenté, ayant une réponse au rayonnement gamma pur, meilleure, dans le cas d'un émetteur formé d'un alliage de plomb constituant le composant principal, avec addition d'un pourcentage suffisant d'atomes d'au moins un groupe formé par l'aluminium, le cuivre, et le nickel, de façon à obtenir un alliage dont le point de fusion soit supé- rieur à environ 7001C, cet alliage conservant sa réponse amé- liorée au rayonnement gamma, une forte densité et une bonne ductilité du plomb qui en est le composant principal. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans l'unique figure annexée qui est une vue en coupe d'un détecteur auto- alimenté. Le détecteur auto-alimenté 10 se compose d'un câble émetteur central 12 entouré d'un isolant 14 et d'une électrode protectrice ou gaine 16 coaxiale au moyen isolant. Un détecteur auto-alimenté, répondant au rayonnement gamma, est décrit dans le brevet US 4 080 533. Selon la présente invention, l'électrode de col- lecteur est, de façon caractéristique, un alliage de nickel tel que l'Inconel et le moyen isolant est, de façon caractéristique, un oxyde d'aluminium compacté. Le câble d'émetteur 12 est, de préférence, un alliage de plomb dans lequel le plomb constitue le composant principal et représente, de façon caractéristique, au moins 90 % atomique de l'alliage. L'alliage contient, en outre, un pourcentage atomique suffisant d'au moins un élément du groupe formé par l'aluminium, le cuivre et le nickel. Ces composants auxiliaires de l'alliage sont présents dans des quantités suffisantes pour donner un alliage ayant un point de fusion supérieur à 7000C, tout en laissant à l'alliage sa réponse améliorée au rayonnement gamma, sa forte densité, sa bonne ductilité et sa faible réponse aux neutrons du fait du constituant principal qui en est le plomb. Le plomb est, en général, un matériau idéal pour un émetteur d'un détecteur auto-alimenté sensible au rayonne- ment gamma, puisque le plomb a un numéro atomique élevé égal à 82, une densité élevée égale à 11,25 grammes par cm3 et une faible section en neutrons égale à 0,2 barns. La seule raison pour laquelle le plomb n'a pas été utilisé jusqu'à présent dans les détecteurs auto-alimentés est son point de fusion relativement bas, de l'ordre de 300'C, qui n'a pas permis son utilisation comme détecteur auto-alimenté à émetteur de plomb, utilisable dans le coeur d'un réacteur nucléaire. L'invention concerne un détecteur auto-alimenté utilisant des alliages de plomb pour réaliser un détecteur auto-alimenté à émetteur en alliage de plomb, ayant un point de fusion suffisamment élevé pour être acceptable et sans que les caractéristiques nucléaires recherchées du plomb, consti- tuant principal de l'alliage, ne soient modifiées. Les aspects fonctionnels recherchés pour un alliage d'émetteur sont une réponse élevée au rayonnement gamma, un point de fusion élevé supérieur à 7001C, une faible section en neutrons, une densité élevée et une bonne ductilité pour faciliter la fabrication du détecteur. Les métaux d'alliage formant les composants auxi- liaires tels que l'aluminium, le cuivre, le nickel, ont des sections relativement faibles pour les neutrons. Lorsqu'un tel métal est allié en faible quantité avec du plomb, ce composant auxiliaire augmente le point de fusion de l'alliage au-delà d'environ 7000C tout en laissant subsister la caractéristique de réponse, recherchée, au rayonnement gamma du plomb. A titre d'exemple, un alliage plomb-aluminium contenant 98 % atomique de plomb et 2 % atomique d'aluminium, a un point de fusion de l'ordre d'environ 7000C, alors qu'un alliage plomb-aluminium de 97 % atomique de plomb et d'environ 3 % atomique d'aluminium a un point de fusion d'environ 8000C. Pour un alliage d'émetteur plomb-cuivre, on peut arriver à un point de fusion de 7000C avec une teneur en plomb d'environ 95 % atomique et une teneur en cuivre de 5 % atomique. L'addition de ces pourcentages atomiques relativement faibles de métaux d'alliage formant les composants auxiliaires, tels que l'aluminium ou le cuivre et le nickel, ne réduit pas de façon significative la densité de l'alliage. Pour des alliages de plomb, tels que plomb-aluminium, plombcuivre ou plomb-nickel, la densité de l'alliage reste supérieure à environ 11 grammes par cm3 si le composant plomb représente au moins 90 % atomique de l'alliage. Le détecteur selon l'invention, ayant un émetteur 2495786 en alliage de plomb et une gaine en Inconel, a toujours une réponse aux neutrons du fait de l'interaction des neutrons et de la gaine Inconel. La gaine ou électrode collectrice n'est pas aussi efficace pour donner un signal de courant qu'un émetteur répondant au rayonnement gamma, si bien que l'effet global des interactions des neutrons dans le collecteur donne un dispositif dans lequel la réponse au rayonnement gamma représente environ 80 % du signal de courant total du détecteur dans un réacteur à eau lourde. Toutefois, la vitesse de combus- tion du détecteur sera considérablement réduite. Cette vitesse réduite signifie que le dispositif peut fonctionner suivant une réponse relativement constante, pendant une période prolongée, sans nécessiter de remplacement. Si l'on veut, de plus, réduire la réponse aux neu- trons pour avoir un détecteur auto-alimenté répondant essentiel- lement au rayonnement gamma selon l'invention, on remplace la gaine collectrice en Inconel par un matériau de collecteur tel que du Zirconium, ayant une section transversale aux neutrons qui est très faible. Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus dans le cas d'un émetteur en alliage de plomb qui répond au rayonnement gamma et a un point de fusion élevé, l'invention n'est pas limitée à ce cas. On peut réaliser une grande diver- sité d'alliages métalliques pour émetteurs, conservant la caractéristique de réponse aux radiations, relativement élevées, d'un premier composant principal, tout en améliorant les ca- ractéristiques mécaniques ou thermiques de l'alliage par rap- port aux caractéristiques du premier composant principal, grâce à l'inclusion du second composant ou composant auxiliaire. Ainsi, alors que le premier composant, ou composant principal, a des caractéristiques mécaniques ou thermiques gênantes, par exemple un point de fusion bas, une fragilité excessive, une absence de rigidité, le second composant ou composant auxiliaire peut ren- dre l'alliage utilisable pour des applications dans des réac- teurs nucléaires en supprimant ou en réduisant au minimum lez caractéristiques mécaniques ou thermiques gênantes. Le second composant ou composant auxiliaire est choisi de façon que l'alliage conserve la caractéristique de réponse aux radiations, élevées, du premier composant principal. Le rhodium a été utilisé comme émetteur à cause de 6 2495786 sa réponse élevée aux neutrons. Or, le rhodium est relativement cassant et difficile à fabriquer dans un détecteur auto-alimen- té. En faisant un alliage de rhodium avec environ 5 % atomique de platine, de cuivre ou d'argent, on obtient un alliage qui présente une ductilité très améliorée, facilitant la fabrica- tion tout en conservant la réponse élevée, souhaitable, aux neutrons, qui est l'une des caractéristiques du rhodium. R E V E N D I C A T I 0 N S ) Détecteur de radiation nucléaire, auto-alimenté, détecteur comportant un câble central allongé formant émetteur (12), un moyen isolant (14) entourant le câble d'émetteur (12) et une électrode collectrice (16) coaxiale à l'émetteur (12) et au moyen isolant (14), détecteur caractérisé en ce que l'émetteur (12) est réalisé en un alliage d'un premier métal ou premier composant principal qui présente une réponse élevée aux radiations et d'un second composant ou composant auxiliaire, d'au moins un autre métal d'alliage susceptible de donner à l'alliage la caractéristique thermique ou mécanique voulue sans modifier notablement la réponse élevée aux radiations que pré- sente le composant principal. ) Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur est un alliage de plomb constituant la composante principale et d'un composant auxiliaire choisi dans le groupe formé par l'aluminium, le cuivre, le nickel, le pla- tine ou le zinc, ajouté suivant un pourcentage atomique suffi- sant pour former un alliage dont le point de fusion soit consi- dérablement supérieur à celui du plomb, cet alliage conservant du plomb la forte réponse au rayonnement gamma et la densité élevée. ) Détecteur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce que le composant auxiliaire est présent en une quantité suffisante pour former un alliage dont le point de fusion est supérieur à 7000C. ) Détecteur selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 2, 3, caractérisé en ce que le composant auxiliaire a une faible section aux neutrons. 50) Détecteur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce que le composant principal du plomb correspond a au moins 90 % atomique de l'alliage. ) Détecteur selon la revendication 5, caracté- risé en ce que l'alliage est un alliage au plomb contenant au moins 98 % atomique de plomb, le complément étant de l'alumi- nium.