Brevet FR2508643A1 — publié le 19821231

t Détecteur de lithium La présente invention concerne un détecteur de lithium et elle a trait, plus particulièrement, à un détecteur perfectionné pour détecter des particules ou des vapeurs de lithium susceptibles d'être ionisées par voie thermique, ou bien des mélanges de telles particules ou vapeurs de lithium. Des détecteurs de métaux alcalins ont été divulgués dans de nombreuses publications antérieures et ont été en outre décrits en détail dans les brevets U S 4 047 101, 4 095 171 et 4 117 396 Les trois brevets mentionnés ci-dessus sont cités ici à titre de référence. Les détecteurs de métaux alcalins de la technique antérieure comportent une électrode chauffée électriquement et formée par un filament, de façon caractéristique par un fil métallique en Mo Si 2-cermet revêtu de Si O 2, ainsi qu'une élec- trode collectrice, de façon caractéristique une plaque Le fila- ment-électrode est chauffé à environ 900 QC par un premier circuit et est exposé à une atmosphère ou gaz porteur dans lequel peuvent exister des particules alcalines présentant de l'intérêt En venant en contact avec la surface du filament-électrode, ces particules se dissocient sous l'effet de la chaleur (si les particules sont des composés alcalins), s'ionisent positivementet les ions positifs résultants s'évaporent de la surface du fila- ment-électrode Un champ électrique établi entre le filament- électrode et l'électrode collectrice par un second circuit entraîne un déplacement des ions vers l'électrode collectrice en produisant un courant d'ions que l'on peut détecter en utilisant un ampèremètre sensible La valeur du courant d'ions est une indication de la présence et de la concentration du métal alcalin dans l'environnement gazeux auquel est exposé le filament-électrode chauffée Les détecteurs de métaux alcalins sont utilisés principalement comme dispositifs de surveillance pour donner une alarme si du sodium est présent dans les fuites d'air se produisant dans les réacteurs régénérateurs rapides Lors d'une fuite, le sodium réagit avec l'air pour former des particules de sodium et de composés de sodium dans l'air (fumée ou autres aérosols) La Société Westinghouse Electric Company a mis au point, fabriqué et vendu des détecteurs de métaux alcalins de grande sensibilité ( 3 x 10-12 grammes de sodium par ce de gaz susceptible d'être détecté) pour détecter ces fuites. On a trouvé récemment une nouvelle application pour un détecteur de métaux alcalins Des réacteurs nucléaires de fusion et des systèmes d'essai de fusion comprennent des systè- mes contenant des volumes importants de lithium liquide sous température élevée On espérait que les détecteurs tels que décrits dans les brevets précités, détecteurs qui sont essen- tiellement identiques au dispositif vendu en ce qui concerne les caractéristiques concernées, pourraient être utilisés pour constituer un dispositif de surveillance pour contrôler le lithium dans les fuites d'air étant donné que le lithium brûle dans l'air en produisant une fumée tout comme le sodium Dans un essai dans lequel on utilisait des aérosols de Li OH, Li 20 et Li CO 3, les détecteurs ne réagissaient pas, contrairement à ce qui se passait dans des essais similaires avec un aérosol de composé de sodium. Une recherche effectuée pour trouver la cause de cette absence de répone du détecteur vis-à-vis du lithium a permis d'ap- porter à ce détecteur une modification (décrite ci-après) qui permet de mener à bonne fin une détection du lithium. C'est pourquoi, un objet de la présente invention est de réaliser un détecteur perfectionné de lithium en vue de remédier aux insuffisances de la technique antérieure. La présente invention réside dans un détecteur de lithium comprenant un filament-électrode destiné à réagir aux atomes de lithium et aux composés de lithium incidents présents dans un gaz porteur en produisant des ions lithium positifs par ionisation thermique superficielle desdits atomes et composés de lithium, un premier circuit pour régler et maintenir la température dudit filament-électrode à une valeur supérieure à 10000 C pour ioniser lesdits atomes et composés de lithium, une électrode collectrice, et un second circuit pour établir et détecter un courant desdits ions lithium positifs s'écoulant dudit filament-électrode vers ladite électrode collectrice, ledit courant indiquant la présence et la concentration de lithium dans ledit gaz porteur. Le détecteur de métaux alcalins tel que décrit ci-dessus a été modifié pour que son filament fonctionne à une température considérablement plus élevée que la température habituelle Pour la détection de lithium, le filament doit fonctionner à une température égale ou supérieure à 1100 "C. L'invention apparaltra facilement à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure l est une courbe de réponse d'un détecteur de la technique antérieure; la figure 2 est une courbe de réponse du détecteur faisant ltobjet de la présente invention; - la figure 3 est une représentation schématique du détecteur de sodium Vestinghouse modifié pour détecter le lithium; et la figure 4 est une courbe typique d'étalonnage de température de filament, Le détecteur de métaux alcalins détecte avec succès le lithium si le filament fonctionne à une température de 11000 C ou à une température supérieure On peut parvenir à ce résultat en utilisant un ampèremètre dans le premier circuit du filament ainsi qu'un moyen de réglage de courant tel qu'une source dténer- gie à tension variable pour régler le courant électrique du filament à une valeur qui correspond à la température voulue de ce filament On effectue la corrélation entre la température du filament et le courant du filament en se référant à une courbe d'étalonnage que l'on obtient en utilisant un pyromètre optique, tout en maintenant les autres paramètres 7 tels qu'un courant d'atmosphère gazeux éventuel, dans des conditions opératoires constantes. On va se référer à la figure 1 (technique antérieure) qui représente une courbe de réponse d'un détecteur ordinaire Vestinghouse pour métaux alcalins mis au point antérieurement La figure 1 montre la relation entre la réponse nette (signal moins bruit de fond) du détecteur(sur l'axe 1) et la température(sur l'axe 2)pour des composés de sodium et de potassium Il est clair que la réponse nette 4 est environ 10 fois plus élevée que le bruit de fond 3 à toutes les tempé- ratures étudiées Ceci indique que la température inférieure à laquelle le détecteur fonctionne de façon classique ( 900 o C) est suffisante pour dissocier des composés de sodium et de potassium et pour ioniser les atomes de métaux alcalins résul- tants Bien que l'on puisse obtenir une certaine augmentation dans la réponse nette avec un fonctionnement à des températures plus élevées, il pourrait en résulter des durées de vie utiles plus courtes des filaments Du fait qu'à 9000 C la réponse du détecteur est suffisamment plus grande que le bruit de fond, on préfère un fonctionnement à 9000 C. On a représenté sur la figure 2 un ensemble similaire de courbes pour les composés de lithium Li OH et Li 2 CO 3 Ici, le comportement est considérablement différent de celui pour le- sodium et le potassium À des températures de filament de l'or- dre de 9000 C, la réponse nette 4 est inférieure d'au moins un facteur de 10 à la valeur du bruit de fond essentiellement une réponse zéro Entrel OOO O C et 1100 "C, la détection du lithium est possible car, ainsi qu'on peut le voir sur la figure 2, la réponse du détecteur dépasse le signal de bruit de fond Ce n'est qu'à des températures de filament supérieures ( 11000 C) que le comportement de la réponse pour le lithium devient simi- laire à celle pour le sodium et le potassium, c'est-à-dire que la réponse prend au moins un ordre de grandeur supérieur au bruit de fond Il est clair que pour la détection du lithium, la température de fonctionnement du filament se situe de préférence au voisinage de 1100 C. On peut trouver une explication rationnelle possible à ces observations dans la plus grande stabilité des composés de lithium par rapport à ceux du sodium et du potassium Le tableau I donne les enthalpies de dissociation pour les compo- sés concernés Les hydroxydes de sodium et de potassium ont presque des valeurs identiques, tandis que les composés de lithium exigent une plus grande énergie pour etre dissociés. Ceci est à peu près en accord qualitatif avec les relations concernant la température du filament mais, en réalité, les composés se dissocient sur une surface essentiellement de Si O 2 (des réactions catalytiques peuvent se produire) et, par consé- quent, ces enthalpies globales de dissociation ne sont pas considérées comme pouvant être appliquées Du fait que la réaction thermique d'ionisation peut être catalytique, la nature du filament-électrode peut Atre importante de même que la température du filament On a obtenu la réponse représentée sur la figure 2 pour le détecteur en utilisant un fil de Mo Si 2-cermet revêtu de Si O 2. TABLEAU 1 ENTHALPIES DE DISSOCTIATIONT Hfo, DE COMPOSES DE METAUX ALCALINS (kcal/mole) COMPOSES a Hf Li O Ho H 20 188,77 Li 2 CO 3 290,54 Na OH 101, 99 KOH 101,78 On va se référer à la figure 3 qui est une représen- tation schématique d'un détecteur Westinghouse pour métaux alcalins modifié de manière k fonctionner à 1100 C ou à une température supérieure pour détecter le lithium Un bottier 5 de détecteur contient un filament-électrode 7 et une électrode collectrice 8 Un courant 6 de gaz porteur s'écoule à travers le bottier 5 du détecteur et balaie le filament-électrode 7. Le courant 6 de gaz porteur peut contenir des ions lithium 11 et des produits 12 de réaction lithium-air sous forme d'un aérosol. On chauffé le filament-électrode 7 à 1100 C, ou à une température supérieure si on le désire, en utilisant une source d'énergie 15 à tension variable, une courbe d'étalonnage simi- laire à celle représentée sur la figure 4 à titre d'exemple, et un ampèremètre 10 Les produits 12, lorsqu'ils viennent en contact avec le filament-électrode 7, deviennent des ions lithium 11 qui sont attirés vers l'électrode collectrice 8 par. le champ engendré par la tension de polarisation 14 Le courant d'ions est mesuré par l'ampèremètre 9 ou utilisé pour déclencher une alarme, Un modèle du détecteur fonctionnant avec une tempé- rature de filament-électrode de 1100 C a été soumis avec succès à des essais et a prouvé qu'il pouvait détecter le lithium. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Détecteur de lithium comprenant un filament- électrode ( 7) pour réagir aux atomes de lithium et aux composés de lithium incidents présents dans un gaz porteur ( 6) en pro- duisant des ions lithium positifs par ionisation thermique superficielle desdits atomes et composés de lithium, une élec- trode collectrice ( 8), et un premier circuit pour établir et détecter un courant desdits ions lithium positifs s'écoulant dudit filament-électrode à ladite électrode collectrice, ledit courant d'ions indiquant la présence et la concentration de lithium dans ledit gaz porteur, caractérisé par le fait qu'un second circuit est relié audit filament- électrode ( 7) pour régler et maintenir la température dudit filament- électrode à une température d'environ 10000 C de manière à ioniser lesdits atomes et composés de lithium. 2 Détecteur de lithium suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit filament-électrode ( 7) est un fil de Mo Si 2-cermet revêtu de Si O 2. 3 Détecteur de lithium suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit second circuit comprend une source d'énergie ( 15) à tension variable.