Brevet FR2639437A1 — publié le 19900525

Dispositif de détermination de la multiplication de flux de neutrons et de l'émission de neutrons " L'invention concerne un dispositif de détermination de la multiplication des neutrons thermiques et de l'émission de neutrons dans les systèmes comprenant des matériaux fissiles par détection, aussi bien des neutrons émis spontanément que des neutrons induits par au moins une source ponctuelle de neutrons, dans lequel: - les détecteurs de neutrons sont disposés autour du système comprenant des matériaux fissiles, - pour mesurer les neutrons induits, le système com- prenant des matériaux fissiles est disposé entre le détecteur de neutrons et la source de neutrons. Par systèmes comprenant des matériaux fissiles, on doit comprendre dans ce contexte, des systèmes qui comprennent des matières fissiles comme l'uranium et/ou le plutonium. Des systèmes comprenant des matières fissiles peuvent être des éléments de combustible de réacteur nucléaire irradiés ou non. Par système comprenant des matières fissiles, on peut comprendre aussi des récipients remplis de matière fissile sous forme liquide comme par exemple des colonnes ou ce qu'on appelle les récipients "slab" (en tranche). Par la multiplication des neutrons thermiques et par l'émission neutronique, on peut obtenir d'importantes données de fonctionnement, par exemple la combustion des éléments combustibles, l'enrichissement initial et le type de combustible ou pour les récipients le contenu en matière fissile et la criticité. La multiplication des neutrons thermiques et l'émission de neutrons peuvent être déterminées par au moins une mesure active et une mesure passive des neutrons du système comprenant des matières fissiles. Lors de la mesure passive, les neutrons formés spontanément émis par les systèmes comprenant des matières fissiles sont mesurés à l'aide de quatre détecteurs de neutrons disposés à 90 degrés autour du système comprenant de la matière fissile. Pour la mesure active, on approche une source de neutrons, qui contient l'isotope CF 252, du système comprenant de la matière fissile. Les neutrons émis par cette source induisent dans le système comprenant des matières fissiles, d'autres neutrons, qui sont captés par un détecteur de neutrons placé en face de la source. Une plaque de cadmium disposée devant le(s) détecteur(s) fait que seuls les neutrons épithermiques du système comprenant des matières fissiles parviennent au détecteur. Le détecteur est entouré d'un modérateur qui peut être constitué d'eau, de polyéthylène ou d'un autre matériau adapté. Habituellement, on utilise le même détecteur pour la mesure active et pour la mesure passive. Pour la mesure passive, on enlève la source de neutrons. Par le Brevet DE-30 12 037, on connait un contrôleur d'élément combustible pour la mesure active et passive de neutrons, qui est caractérisé en ce que plusieurs éléments combustibles sont placés dans des tubes de guidage parallèles, que plusieurs détecteurs de neutrons sont placés le long des tubes de guidage, que les tubes de guidage et les détecteurs de neutrons sont entourés de matériau modérateur et qu'au moins une source de neutrons peut se déplacer dans un plan perpendiculaire aux axes des tubes de guidage grâce à un dispositif de positionnement. - Ce contrôleur d'élément combustible a déjà été utilisé avec succès pour déterminer les caractéristiques importantes de fonctionnement d'éléments combustibles. Son inconvénient principal est qu'il faut maintenir de manière très précisément constante la distance entre l'élément combustible et la source de neutrons d'une part, et la distance entre l'élément combustible et le détecteur d'autre part. Par exemple, lors de la détermination de la multiplication thermique des éléments combustibles pour maintenir l'erreur en dessous de 2 %, la distance entre l'élément combustible et la source de neutrons ou bien entre l'élément combustible et le détecteur, ne doit pas varier de plus de 4 mm. Dans le contrôleur connu, la source tout comme le détecteur sont rapprochés directement de l'élément combustible. Ce faisant, il faut que la distance entre la source et le détecteur soit obtenue avec une précision reproductible de 0,5 mm, pour pouvoir maintenir l'erreur indiquée ci-dessus en dessous de 2 %. Ces deux conditions ont pour conséquence qu'un coût élevé de construction est indispensable, notamment pour placer, lors de la mesure active, aussi bien la source que le détecteur en position exacte 263943? reproductible dans la position prédéterminée. Quand sur un élément combustible, on doit mesurer la multiplication de flux de neutrons thermiques à différentes hauteurs, il faut, pour chaque mesure, écarter la source aussi bien que le détecteur, afin de pouvoir changer la position de l'élément combustible dans le dispositif de mesure, car un déplacement de l'élément combustible peut conduire, à cause du support d'écartement, en position de mesure du contrôleur à endommager l'élément combustible ou le dispositif de mesure. Ensuite, il faut centrer exactement l'élément combustible dans le dispositif de mesure ( 2 mm), et la source, ainsi que le détecteur, doivent être ramenés dans la position de mesure de manière reproductible, avec un écart minimal, au plus de 0,5 mmn. Ces conditions prennent beaucoup de temps pour les mesures et les dispositifs de positionnement sensibles, qui contredisent l'exigence industrielle d'avoir un dispositif de mesure robuste et non compliqué. Dans une publication (International Atomic Energy Agency "Summarie, Recommendations and Future Needs of the meeting of the Technical Committee on Burnup Determinations of Water Reactor Fuel", 13-16 June 1988, held at the Institute for Transuranium Elements in Karlsruhe, CHE Draft 1-LK/ au 1.7.1988, p.12), le positionnement exact du détecteur et de la source de neutron ont été reconnus comme le principal inconvénient du contrôleur d'élément combustible connu. C'est pourquoi le positionnement exact de l'élément combustible on été considéré comme absolument indispensable, parce que le taux de comptage des neutrons sur une distance de 0 à 2,5 cm environ dépend très fortement de la position de l'élément combustible et des décalages de l'élément combustible provoquent une grande erreur de mesure. Par "distance" on doit comprendre ici et dans ce qui suit la distance entre la source et le détecteur, diminuée de la dimension du système comprenant la matière fissile, sur la droite qui les rejoint. L'invention a pour but d'éviter les inconvénients cités. Le dispositif, selon l'invention, doit être largement insensible au positionnement du système comprenant des matières fissiles entre la source et le détecteur. Le détecteur et la source doivent être à une distance telle qu'elle permette le déplacement sans contact avec le détecteur et la source de systèmes combustibles, qui ne présentant pas de surfaces lisses comme par exemple un élément combustible, sans que soit modifiée la position de mesure. Pour ces systèmes comprenant des matières fissiles fixes, comme par exemple des colonnes ou des récipients slab, il faut pouvoir déplacer le détecteur et la source en position de mesure le long du système comprenant des matières fissiles. Le dispositif doit, en outre, permettre la mesure de systèmes comprenant des matières fissiles de dimensions différentes dans une et même position de mesure, par exemple des éléments combustibles avec différentes épaisseurs. Le but est atteint grâce au dispositif caractérisé en ce que, pour détecter les neutrons induits, la distance entre la source de neutrons et le détecteur de neutrons, diminuée de la dimension du système comprenant des matières fissiles, sur la ligne qui les relie, vaut au moins 3 cm, en ce que le système comprenant des matières fissiles se trouve, lors de la mesure des neutrons thermiques à peu près au milieu entre la source de neutrons et le détecteur et en ce que, lors de la mesure des neutrons épithermiques, le système comprenant des matières fissiles se trouve à proximité du détecteur. Alors que pour la mesure des neutrons thermiques, le système comprenant des matériaux fissiles se trouve à peu près au milieu entre la source de neutrons et le détecteur, pour la mesure des neutrons épithermiques on le positionne de préférence entre la source de neutron et le détecteur, de façon à ce que la distance entre le système comprenant les matières fissiles et la source de neutron, d'une part, et le détecteur de neutrons d'autre part, présente un rapport d'environ 2: 1. Lors de la mesure, le système comprenant les matières fissiles doit se trouver dans le maximum de taux de comptage de neutrons. Dans le système, selon l'invention, on utilise en outre avantageusement des sources élargies de neutrons qui contribuent à une sensibilité plus homogène sur la section du système comprenant des matières fissiles. Par exemple, des hétérogénéités comme des crayons d'élément combustible échangés influent moins sur le résultat de la mesure. De telles sources étendues de neutrons n'ont pas été utilisées jusqu'ici à cause du réglage compliqué dans les contrôleurs d'éléments combustibles. Selon une autre caractéristique de l'invention, au lieu d'une source ponctuelle de neutrons, on utilise une source de neutrons étalée linéairement. Selon une autre caractéristique de l'invention, dans le cas o le système comprenant des matières fissile est un élément combustible, la source de neutrons étalée linéairement et le détecteur sont disposés perpendiculairement à l'axe de l'élément combustible. Il s'avère avantageux d'utiliser comme détecteurs de neutrons des chambres à fente entourées de matériau modérateur. Pour arrêter les neutrons thermiques, on monte devant le détecteurs de neutrons, en face de la source de neutrons, une plaque de cadmium, à une distance d'environ 2 à 3 cm du détecteur. L'invention repose sur l'observation que les taux de comptage de neutrons varient beaucoup en fonction de la distance, pour une distance entre la source et le détecteur, diminuée de l'épaisseur du système comprenant les matières fissiles, de 0 à 2,5 cm environ, mais que pour une distance k 3 cm, le taux de comptage des neutrons est presque indépendant de la position du système comprenant des matières fissiles, quand, lors de la mesure des neutrons thermiques, le système comprenant des matières fissiles se trouve à peu près au milieu entre la source de neutrons et le détecteur et lors de la mesure des neutrons épithermiques, le système comprenant les matières fissiles se trouve à proximité du détecteur. Un centrage imparfait du système comprenant des matières fissiles ne modifie pratiquement pas les taux de comptage des neutrons dans ce domaine. Cela signifie que, dans le domaine d'une distance k 3 cm, l'exigence citée d'une reproductibi- lité géométrique précise de la position du système comprenant des matières fissiles n'est plus à respecter. Comme le détecteur et la source peuvent toujours rester en position de mesure, le positionnement reproductible très coûteux de la source et du détecteur est inutile. Dans le dispositif selon l'invention, on peut ainsi renoncer à un dispositif de positionnement exact et sensible. Les inconvénients liés au contrôleur de neutrons continu peuvent être évités, selon l'invention, sans avoir de diminution essentiel de précision de mesure. Dans les essais pour déterminer la multiplication thermique d'éléments combustibles avec le dispositif selon l'invention, on a atteint des taux d'erreur de 5 2 %. En outre, il est possible avec le dispositif de l'invention, de déplacer les éléments combustibles entre le détecteur et la source sans quitter la position de mesure. Le dispositif, selon l'invention, peut être construit simplement de manière robuste et économique. Le coût en mécanique et électronique pour positionner le système comprenant les matières fissile est éliminé. Ainsi, on peut éliminer de nombreux systèmes de sécurité. Les supports des détecteurs et de la source de neutrons peuvent être réalisés simplement, ce qui donne une plus grande flexibilité dans la maniabilité du dispositif de mesure et du système comprenant des matières fissiles; par exemple des éléments combustibles peuvent être aussi introduits latérale- ment dans le dispositif de mesure. Son poids, en comparaison du dispositif connu (environ 380 kg) est fortement diminué, ce qui améliore nettement la maniabilité. Un mode de réalisation du dispositif, selon l'invention, qui est approprié à la mesure pour des éléments de combustible, est représenté aux dessins dans lesquels: - la figure 1 montre le chambre à fente, logée dans une enveloppe en plomb, pour une mesure des neutrons, - la figure 2 montre une autre disposition pour la mesure active des neutrons. Sur une plaque de mesure i en acier inoxydable, est monté latéralement un support de détecteur 2, qui porte le détecteur 3, une chambre à fente. La chambre à fente est entourée de Makrolon comme modérateur 4. Pour améliorer la discrimination du rayonnement Y, le modérateur 4 avec le détecteur 3 est logé dans une enveloppe asymétrique en plomb 5, pour protéger des rayons y. Ce dispositif est entouré d'une enveloppe en acier 6 étanche à l'eau, qui est montée sans jeu sur la plaque de mesure 1. Pour arrêter les neutrons thermiques du système comprenant des matières fissiles, la face de mesure du détecteur est protégée par une plaque de cadmium 7. La plaque de cadmium 7 est logée dans une enveloppe en acier inoxydable. A l'opposé sur la plaque de mesure 1, est placée la source de neutrons, qui contient l'isotrope Cf-252. La source de neutrons peut être tournée de - à l'aide d'un bras de basculement 9, parallèlement à la plaque de mesure 1. Le moteur du bras de basculement 10 est disposé sous la plaque de mesure. Pour la mesure active, le bras de basculement 9 avec la source de neutrons 8 est tournée vers l'élément combustible (position I). Pour la mesure passive, il suffit que le bras de basculement 9 soit tourné de 180* avec la source de neutrons (position II). Des détecteurs supplémentaires 12 pour la mesure passive sont disposés symétriquement autour de l'élément combustible 11. LEGENDE DE LA FIGURE 1 - Plaque de mesure 2 - Support de détecteur 3 - Détecteur (chambre à fente) 4 - Modérateur (Makrolon) - Protection y (enveloppe de plomb asymétri- que) 6 - Support de détecteur (enveloppe d'acier) 7 - Plaque de cadmium dans une enveloppe en acier inoxydable 8 - Source de neutrons (Cf252) 9 - Bras de basculement - Moteur pour le basculement 11 - Elément combustible 12 - Détecteurs supplémentaires pour la mesure passive I Position de la source pour la mesure active II - Position de la source pour la mesure passive R E V E N D I C A T I ONS 1') Dispositif de détermination de la multiplication des neutrons thermiques et de l'émission de neutrons dans les systèmes comprenant des matériaux fissiles par détection, aussi bien des neutrons émis spontanément que des neutrons induits par au moins une source ponctuelle de neutrons, dans lequel: - les détecteurs de neutrons sont disposés autour du système comprenant des matériaux fissiles, - pour mesurer les neutrons induits, le système com- prenant des matériaux fissiles est disposé entre le détecteur de neutrons et la source de neutrons, caractérisé en ce que, pour détecter les neutrons induits, la distance entre la source de neutrons et le détecteur (3) de neutrons, diminuée de la dimension du système comprenant des matières fissiles, sur la ligne qui les relie, vaut au moins 3 cm, en ce que le système comprenant des matières fissiles se trouve, lors de la mesure des neutrons thermiques à peu près au milieu entre la source de neutrons et le détecteur -et en ce que, lors de la mesure des neutrons épithermiques, le système comprenant des matières fissiles se trouve à proximité du détecteur. 2*) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lors de la mesure des neutrons épithermiques, les distances du système comprenant des matières fissiles à la source de neutrons, d'une part, et au détecteur de neutrons d'autre part, sont dans un rapport d'environ 2: 1. 3') Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au lieu d'une source ponctuelle de neutrons, on utilise une source de neutrons étalée linéairement. 4') Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que, dans le cas o le système comprenant des matières fissile est un élément combustible, la source de neutrons étalée linéairement et le détecteur sont disposés perpendiculairement à l'axe de l'élément combustible. ) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, comme détecteurs de neutrons, on utilise des chambres à fente qui sont entourées de matériau modérateur. 6') Dispositif selon lune des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que pour mesurer les neutrons épithermiques émis par le système comprenant des matières fissiles, on monte devant le détecteur de neutrons, en face de la source de neutrons, une plaque de cadmium, à une distance d'environ 2 à 3 cm du détecteur.