Brevet FR2493530A1 — publié le 19820507

La présente invention concerne un détecteur de neutrons auto - a]iment6, détecteur utilisé dans le coeur d'un réacteur nucléaire pour tracer la carte des flux des neutrons et détecter les variations brusques de réactivité locale - Un détecteur de rayonnement, à alimentaé tion propre ou indépendante, est un détecteur dans lequel un signal électrique est formé entre une électrode d'émetteur et v une électrode de collecteur en fonction du flux de neutrons, sans nécessiter de potentiel d'entraînement d'origine extérieurê, Le signal s'obtient comme résultat des réponses de rayonnement%,- différentielles, des différents métaux qui constituent l'émet-s teur et le collecteur. En général, de tels dispositifs utili- sent un câble d'émetteur central réalisé en un métal tel que du platine, du rhodium ou du cobalt. Il est prévu un moyen isolant entourant l'émetteur et une gaine collectrice coaxiale' formée en un matériau à faible réponse aux neutrons tel qu'un alliage de nickel et en particulier de l'Inconel; cette gaine. entoure l'isolanto Le détecteur présente de façon caractéris- - tique un diamètre inférieur à 6 mm et se loge facilement dans l'assemblage combustible d'un coeur de réacteur. Dans un réacteur de centrale nucléaire, classique, le spectre des neutrons présente une composante -- de neutrons d'origine thermique, avec une répartition de la moyenne de l'énergie selon Maxwell, de l'ordre de KT, qui correspond à environ 0,04 électrons volts pour 300 Co De tels réacteurs comportent également une composante de neutrons, d'origine épithermique, avec une répartition de flux qui chute*- selon le rapport 1/E et qui passe d'une valeur supérieure à environ 0,04 électrons-volts jusqu'à 1 mev. Chacune de ces composantes du spectre des neutrons participe à la puissance fournie par le réacteur mais la composante d'origine thermique -. qui est dominante représente environ 85 à 90% de la puissance - dans les réacteurs à eau légère, pressurisée, ou à eau bouillante. La composante dorigine thermique représente plus;. de 97% d'un réacteur à eau lourde tel que le réacteur canadiet Canduo On a démontré récemment que les détec--' teurs auto-alimentés répondaient à la fois à un flux de neu-'. trons d'origine thermique et un flux de neutrons d'origine épithermique cette information a fait l'objet de l'article "ÀThe Epithermal Component in the Neutron Response of Various Self-Powered Detectors" dans le document IEEE Transactions on Nuclear Science. Frvrier 1980. Dans les réacteurs à eau légère, le signal de,ojrent géneré dans un détecteur autoaliment6 à émetteur de rhouj.num, provient de façon égale de neutrons d'origine thermique et de -eux d'origine épithermique. Dans un detecte'ur à émetteur de cobalt environ 35% du signal généré provient des neîtrons d'origine épithermique. Il est également connu que le rapport entre le fiux dû neutrons d:origine épithermique et le flux de neutron- d:origine thermique varie suivant la position dans 1.Le coeur d: rea-cteur en particulier au niveau des parties extérieures ainsi qu9n fonction de l'âge du combustible au - coeur du réacteur. En général, le rapport flux d'origine épithermique/flux d'origine thermique varie par rapport à celui du coeur central, pendant la durée d'utilisation du combustible, de plus de 20% sur environ 15 à 20% du volume du coeur du réacteur. On a utilisé un détecteur auto-alimenté comme outil servant à tracer la carte du flux des neutrons pour assurer le fonctionnement optimum sur le plan économique et sur le plan de la sécurité. Pour assurer un tracé précis de la carte du flux, il faut également tenir compte de la réponse du détecteur au flux d'origine épithermique, pour tracer la carte. Dans la documentation récente évoquée ci-dessus et faite par les auteurs de la présente invention, on a montré que le courant du signal I du détecteur auto-ali- menté est donné par la formule I = ith 5th + L ep Dans 1 équation cidessus, le courant de détecteur T est exprimé en ampères par centimètres de longueur ac'tive du déetcteur, th est le flux thermique total, S est la sensibilité du detecteur à un flux de neutrons tth d'origine,hermique.. exprimé en ampères par flux de neutrons par cendim9-re de longueur de détecteur, S est la sensibilité ep aux neutrons a'origine épithermique, sensibilité représentée dans.es mnme -sr.jAe, et est une mesure du flux de neutrons d'origine épithermique exprimé en flux de neutrons d'origine épithermique par unités de léthargie. L'expression "léthargie" est utilisée dans la technique pour se rapporter au flux de neutrons par intervalle logarithmique d'énergie. L'équation du signal de courant, donnée ci-dessus, peut s'utiliser lorsque-les signaux de courant viennent de détecteurs auto-alimentés selon l'invention pour obtenir deux équations simultanées à deux inconnues, les inconnues correspondant au flux d'origine thermique et au J flux d'origine épithermique. Ces équations peuvent se résoudre comme suit: I (S)-( th =S ( S ( I2(S=p - I-.ep)2 - (Sep)1 (Sth)2 -(Sep2 (Sth)l I1(Se)2 - I2(Se)()lt __ _e...ú..... A... - _ _ __ J6L (Sep)1 (Sth)2 - (Sep)2 (Sth)- Le brevet U.S. 3-904 881 décrit un détecteur de rayonnement, auto-alimenté, comportant deux émet- teurs différents disposés parallèllement dans la gaine du. collecteur. Les émetteurs sont réalisés, en des matériaux différents ayant des sensibilités différentes au rayonnement gamma pour permettre la compensation gamma du signal de sortie. - Le premier émetteur est sensible aux neutrons ainsi qu'au rayonnement gamma; le signal généré par le premier émetteur est comparé au signal séparé de l'autre émetteur qui est sensible au rayonnement gamma mais pratiquement insensible au flux de neutrons. De façon générale, dans cette technique on utilise une grande diversité de moyens de compensation de type gamma; mais il s'agit de fonctions différentes de celle consistant à determiner les intensités des flux de neutrons d'origine thermique et d'origine épithermique pour réaliser le tracé précis de la carte du coeur du réacteur. La présente invention concerne un détecteur de neutrons, auto-alimenté, qui répond auxflux de neutrons d'origine thermique et d'origine épithermique d'un coeur de réacteur nucléaire pour générer des s'ignaux de cou- rant qui mesurent de façon plus précise la puissance du réac- teur,. ce détecteur étant caractérisé en ce qu'il comporte deux émetteurs distincts répondant aux neutrons, ces émetteurs ko'etus, e ter 4 2493530 étant réalisés en deux matériaux répondant différemment aux neutrons et ayant des réponses différentes aux flux de neu- trons d'origine thermique et d'origine épithermique, l'émet- teur étant entouré d'un moyen isolant et d'un collecteur con- ducteur, relativement insensible aux neutrons, et entourant le moyen isolant. Deux signaux différents sont mesurés sépa- rément puis sont comparés pour déterminer séparément le flux de neutrons d'origine thermique et le flux de neutrons d'ori- gine épithermique. Les signaux courants des émetteurs respec- tifs peuvent servir à résoudre le système d'équations ci- dessus du signal de courant, équations que l'on peut écrire pour chaque matériau d'émetteur, lorsque la sensibilité de ces matériaux pour les flux d'origine thermique et d'origine épithermique sont connus. On peut alors obtenir le flux d'origine thermique et le flux d'origine épithermique en résolvant le système d'équations ci-dessus, que l'on peut transformer pour deux courants de signaux distincts. La présente invention sera décrite plus en détail à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe en. élévation d'un premier mode de réalisation d'un détecteur auto-alimenté. la figure 2 est une vue selon la ligne II - II de la figure 1. - la figure 3 est une vue en coupe, en élévation, d'un autre mode de réalisation d'un détecteur auto-alimenté. Selon les figures 1, 2, le détecteur auto-alimenté 10 se compose d'une paire de câbles 12, 14, d'émetteurs, espacés l'un de l'autre, et qui sont entourés par un moyen isolant 16 et une électrode de collecteur 18 de forme généralement tubulaire. L'électrode de collecteur 18 est scellée à l'extrémité terminale 20. Les câbles d'émetteur 12, 14, distincts, sont réalisés en des matériaux différents ayant une sensibilité au flux de neutrons d'origine thermique et au flux de neutrons d'origine épithermique, différente. Les émetteurs 12, 14 sont par exemple formés, 1 'une avec du rhodium et l'autre en cobalt. Le détecteur 10 est placé dans le coeur d'un réacteur nucléaire et est branché électriquement sur un câble coaxial 2 493530 d'instrumentation, à deux conducteurs, résistant au rayonne- - ment; ce câble non représenté est relié6 à un ampèremètre numérique pour mesurer les signaux de courants distincts entre le collecteur 18 et l'un des émetteurs 12, ainsi qu'entre' le collecteur 18 et l'autre émetteur 14. Les signaux de courant, distincts, sous forme numérique, peuvent s'utiliser pour cal- culer les flux respectifs de neutrons d'origine thermique et de neutrons d'origine épithermique. La sensibilité aux neutrons d'origine thermique et la sensibilité aux neutrons d'origine épithermi- que des émetteurs en rhodium et en cobalt ont été calculées comme indiqué dans les documents mentionnés ci-dessus, et ces sensibilités varient en fonction de la dimension du câble constituant les émetteurs. Pour un câble d'émetteur ayant de façon caractéristique un diamètre de 0,5 mm, et à la tempéra- ture ambiante T = 293 K, la sensibilité thermique Sth du -22 th rhodium est égale à 8,68 x 10 A/nv/cm; la sensibilité épithermique S est égale à 2,94 x 10 -21A/nv/cm. Pour un -- ep émetteur de cobalt de même diamètre, et à la température ambiante, la sensibilité thermique est égale à 9,52 x 1024 A/nv/cm et la sensibilité épithermique est égale à 1,86 x -23A/nv/cm. Ces sensibilités dépendent de la température et pour une température de fonctionnement normal de réacteur qui-1- est de l'ordre de 573 K, on prend les valeurs indiquées dans le document ci-dessus ou les résultats expérimentaux provenant' d'autres sources. Il est à remarquer que lorsqu'on réalité la carte des flux du coeur d'un réacteur, le rapport du flux thermique et du flux épithermique varie avec la position du coeur, la combustion du combustible et le chargement en combustibe Après avoir obtenu les sensibilités, et en utilisant les détecteurs selon l'invention ainsi que le système d'équations simultanées mentionné ci-dessus, on peut résoudre en utilisant' les sensibilités pour obtenir une carte de flux, précise, dans le coeur du réacteur. Le matériau utilisé pour le câble du réacteur peut être l'un des deux matériaux sensibles aux neutrons, ayant des réponses différentes pour les flux d'ori-.- gine 'thermique et des flux d'origine épithermique. Le matériau E40 de l'émetteur peut être constitué par un câble de platine ou de rhodium recouvert de cadmium, ou de cadmium recouvert de cobalt. Il s'agit de matériaux dont les sensibilités aux flux d'origine thermique et d'origine épithermique sont déterminées. Les deux composantes de flux peuvent se calculer de façon numérique si l'on dispose d'une mesure nu- mérique d'intensité pour les deux signaux de courants; on peut également faire le calcul à l'aide d'une série adéquate d'amplificateXirs opérationnels. Selon un autre mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 3, le-détecteur 30 comporte un premier câble d'émetteur 32 placé suivant l'axe longitudinal du détecteur 30. Un second câble d'émetteur 34 est placé en tandem le long de l'axe longitudinal du détecteur mais à une certaine distance du premier émetteur en étant isolé électri- quement de celui-ci par un moyen isolant 33. Chacun des émet- teurs 32, 34 est relié électriquement aux conducteurs 32a, 34a, eux-mêmes reliés aux deux conducteurs d'un câble d'ins- trumentation non représenté. Une gaine de l'électrode de collec- teur 36 est placée coaxialement autour du moyen isolant et des-émetteurs avec une partie d'extrémité 38 scellée. Les câlles d'émetteurs, actifs, 32, 34, ont la même longueur cette longueur est par exemple égale à 30 cm. Dans le mode de réalisation de la figure 1, on peut s'attendre à une certaine diaphonie électrique entre les conducteurs, ce qui nécessite des moyens pour séparer les signaux de courant des réponses au flux de neutrons des émetteurs. Lorsque les émetteurs distincts sont réalisés en rhodium et en cobalt, on peut facilement déterminer le coef- ficient de diaphonie. Cela provient de ce que le rhodium répond à un flux de neutrons ayant une demie durée de vie égale à 44 secondes alors que la réponse du cobalt est ins- tantanée. Le signal mesuré entre l'émetteurde collecteur et l'émetteur de rhodium donne une réponse instantanée qui est en partie sa propre réponse instantanée, faible, et en partie la diaphonie de l'émetteur de cobalt. Le signal de courant entre le collecteur et l'émetteur de cobalt comporte'une partie dont la réponse est retardée et qui correspond à la diaphonie du signal de rhodium, la réponse instantanée étant la réponse du cobalt. REVENDICATIONS 1 ) Détecteur de neutrons, auto-alimenté, sensible à un flux de neutrons d'origine thermique et à un flux de neutrons d'origine épithermique d'un coeur de réacteur nu- cléaire pour générer les signaux de courant qui constituent la mesure la plus précise de la puissance du réacteur, détec- teur caractérisé en ce qu'il se compose de deux émetteurs (12,14) distincts, sensibles aux neutrons, en deux matériaux différem- ment sensibles aux neutrons, ayant des réponses différenti a es pour le flux de neutrons d'origine thermique et le flux de neutrons d'origine épithermique, un moyen isolant (16) entou- rant les émetteurs et un collecteur (18) conducteur relative- ment insensible aux neutrons, entourant le moyen d'isolation (16). 20) Détecteur selon la revendication 1, caractérisé - en ce que les métaux constituant les émetteurs (12, 14) sont deux métaux choisis dans le groupe formé par le rhodium, le cobalt et le platine. ) Détecteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que les émetteurs (12, 14), sont formés de deux métaux différemment sensibles aux neutrons et qui sont étroitement espacés, ces deux émetteurs s'étendant dans la direction longitudinale par rapport à l'axe central du détecteur auto-alimenté (10). 4 ) Détecteur selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce qu'il se compose de deux câbles d'émetteur (12, 14), isolés électriquement, et qui sont placés en tandem suivant l'axe longitudinal du détecteur (10). ) Procédé de mesure précise du flux total de neutrons' et de la puissance du réacteur, procédé caractérisé en ce qu'on génère un premier signal en fonction du flux de neutrons d'origine thermique et du flux de neutrons d'origine épither- mique suivant une première fonction de répo:lse, on génère un second signal suivant le flux de neutrons d'origine thermique et le flux de neutrons d'origine épithermique selon une seconde fonction de réponse, on différentie les flux de neutrons.. d'origine thermique et d'origine épithermique en fonction des deux signaux et des sensibilités de réponse différentes. ) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les fonctions de réponse différentes sont obtenues par au moins deux émetteurs de détecteurs auto-alimentés, différente, ayant des fonctions de réponse différentes.