Brevet FR2782562A1 — publié le 20000225

PROCEDE DE SIMULATION DE LA RÉPONSE D'UN DETECTEUR DE RAYONNEMENTS EMIS PAR DES OBJETS RADIOACTIFS ET PROCEDE DE CONTRÈLE D'ÉLÉMENTS DE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE UTILISANT CETTE SIMULATION 5., DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de simulation de la réponse d'un détecteur de rayonnements émis par des objets radioactifs ainsi qu'un procédé de contrôle d'éléments de combustible nucléaire utilisant cette simulation. Elle s'applique en particulier au contrôle de crayons de combustible nucléaire (" nuclear fuel rods "), qui comprennent des empilements de pastilles de ce combustible, ces pastilles émettant des rayonnements y. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Il est connu de contrôler un ensemble de tels crayons afin de vérifier l'homogénéité des pastilles d'une catégorie choisie. Pour ce faire on réalise un étalonnage préliminaire de la chaîne de mesure de rayonnements y qui est utilisée pour le contrôle. Le détecteur de cette chaîne est par exemple celui qui est décrit dans les documents FR-A-2437002, EP-A-0009450 et JP-A- 1527161 et qui comprend un scintillateur annulaire, ce dernier étant de préférence en iodure de sodium activé au thallium NaI(Tl). Cet étalonnage consiste également à construire des crayons particuliers et à les faire passer devant le détecteur pour obtenir ce qu'on appelle en statistique des droites de régression qui donnent ici la réponse du détecteur aux mélanges de poudres composant les pastilles, selon la teneur de leurs composants (l'uranium et le plutonium par exemple), pour des portions homogènes des crayons ou pour des pastilles d'une catégorie isolées parmi un groupe de pastilles d'une autre catégorie. Ceci nécessite de nombreuses mesures et un nombre également important de crayons d'étalonnage, représentatifs de ces situations typiques mais inutilisables dans un réacteur. EXPOSE DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un procédé permettant de contrôler économiquement des crayons de combustible nucléaire ou, plus généralement, des éléments de combustible nucléaire. Dans ce procédé, l'étalonnage préliminaire de la chaîne de mesure est supprimé et remplacé par une simulation de la réponse du détecteur de la chaîne de mesure c'est-à-dire du comptage effectué par cette chaîne de mesure. De façon précise, la présente invention a tout d'abord pour objet un procédé de simulation de la réponse d'un détecteur de rayonnements émis par des objets radioactifs, ces objets contenant des radioéléments ou des mélanges de ceux-ci, ce procédé étant caractérisé en ce que: - on mémorise des spectres d'émission radioactive représentatifs des radioéléments ou des mélanges de ceux-ci, - on.. détermine des caractéristiques de détection du détecteur, - on.détermine des caractéristiques d'exploitation des rayonnements reçus, - on choisit des radioéléments ou des mélanges de ceux- ci parmi ceux dont les spectres ont été mémorisés, et - on traite les caractéristiques de détection et les caractéristiques d'exploitation de manière à reproduire coup par coup les rayonnements émis pour des radioéléments ou des mélanges de radioéléments choisis, pour obtenir la réponse simulée du détecteur. De préférence, les caractéristiques de détection comprennent des données représentatives des épaisseurs traversées par les rayonnements avant la détection de ceux-ci. De préférence également, les caractéristiques d'exploitation comprennent l'angle d'ouverture du détecteur, les bandes d'énergies détectées et les caractéristiques d'amplification électronique du détecteur. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, on construit en outre des droites de régression à partir de la réponse simulée. Le détecteur est par exemple un détecteur de rayonnements y et l'invention s'applique tout particulièrement au cas o lesdits objets sont des éléments de combustible nucléaire. L'invention concerne aussi un procédé de contrôle d'un ensemble d'éléments de combustible nucléaire mettant en oeuvre le procédé de simulation (appliqué à des objets constitués par ces éléments), procédé de contrôle dans lequel - on.analyse la composition réelle de l'un quelconque des éléments de l'ensemble, - on effectue une calibration du détecteur avec cet élément dont on a analysé la composition réelle, -on corrige la réponse simulée en utilisant la réponse du détecteur obtenue lors de la calibration, et - on contrôle l'ensemble des éléments. Les éléments sont par exemple des crayons du combustible nucléaire, ces crayons comprenant des empilements de pastilles de ce combustible nucléaire. Dans ce cas, le détecteur comprend par exemple un scintillateur annulaire et l'on peut par exemple utiliser un scintillateur en iodure de sodium. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels: * la figure 1 est une vue schématique d'un détecteur dont on veut simuler la réponse, selon un plan perpendiculaire à l'axe de ce détecteur et la figure 2 est une vue schématique du détecteur représenté dans son enceinte blindée, selon un plan parallèle à son axe. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS On suppose que l'on veut contrôler un lot, c'est7à-dire un ensemble, de crayons de combustible nucléaire. Chaque crayon est un empilement de pastilles contenant par exemple de l'oxyde d'uranium et/ou de l'oxyde de plutonium. On contrôle ces crayons pastilles par pastilles. Pour ce faire on utilise par exemple le détecteur décrit dans les documents mentionnés plus haut. On rappelle dans ce qui suit la structure de ce détecteur en faisant référence aux figures 1 et 2. Il s'agit d'un détecteur de rayonnements y qui comprend un scintillateur 1 de forme annulaire, associé à trois photomultiplicateurs 2, 3 et 4. On voit sur les figures 1 et 2 un crayon 16 que l'on veut contrôler et qui est constitué de pastilles 5. Le détecteur comprend aussi un diaphragme ou collimateur 6. Ce diaphragme limite à environ la longueur de chaque pastille le flux de rayonnements y émis par cette pastille en direction du scintillateur. Les trois photomultiplicateurs sont régulièrement répartis à la périphérie du scintillateur. Les sorties de ces photomultiplicateurs sont reliées à des moyens électroniques de mesure formant une chaîne de comptage 7 sur laquelle on reviendra par la suite. Le scintillateur est divisé en secteurs identiques 10, 11 et 12 optiquement isolés les uns des autres et respectivement associés aux photomultiplicateurs 2, 3 et 4. Ce scintillateur est de préférence du type à iodure de sodium, activé au thallium. On voit des couches 13, 14 et 15 d'un isolant optique tel que l'aluminium servant à l'isolation optique des secteurs du scintillateur. On voit sur la figure 2 une enceinte blindée E protégeant le détecteur contre des rayonnements y extérieurs qui pourraient perturber les mesures. On voit aussi que les pastilles 5 du crayon 16 sont contenues dans une gaine 17. Ce crayon est déplacé par des moyens non représentés suivant une direction 18. On voit aussi deux pièces annulaires 19 et 20 qui constituent le diaphragme 6 et sont opaques aux rayonnements y. Ces pièces ont un écartement e qui peut être réglé par des moyens non représentés. Le déplacement du crayon à contrôler s'effectue dans l'axe 21 du détecteur. La chaine de comptage 7 comprend des amplificateurs-stabilisateurs 22 respectivement associés aux photomultiplicateurs, un sommateur 23, dont les entrées sont reliées à ces amplificateurs, et des analyseurs monocanaux 24 (quatre dans l'exemple de la figure 2) dont les entrées sont reliées à la sortie du sommateur 23. Un ordinateur 25 est prévu pour le traitement des signaux fournis par ces analyseurs monocanaux 24. Cet ordinateur est associé à une mémoire 26 et à des moyens d'affichage 27 et également prévu pour mettre en oeuvre le logiciel utilisé pour la simulation de la réponse du détecteur. Lorsqu'on fait une mesure sur une pastille 5 on obtient, par sommation, un spectre total pour l'ensemble des isotopes de cette pastille (nombre d'impulsions par canal d'énergie en fonction de l'énergie) et conformément à l'invention le logiciel permet de simuler la réponse du détecteur D et donc d'obtenir un spectre sensiblement identique à ce spectre total. La simulation de la réponse du détecteur D est purement numérique et s'appuie sur le logiciel qui est stocké dans la mémoire 26 et dans lequel on introduit: (a) des spectres d'émission radioactive représentatifs de certains radioéléments ou de leurs mélanges et qui sont également mémorisés dans la mémoire 26, (b) des caractéristiques de détection, sous forme de coefficients et de données modélisant en particulier les épaisseurs traversées par les rayonnements y et représentant donc l'atténuation, (c) des caractéristiques d'exploitation des rayonnements y reçus, représentant notamment l'angle d'ouverture du détecteur, les bandes d'énergie détectées et l'amplification de l'électronique et (d) un moteur mathématique pour reproduire coup par coup les rayonnements y émis pour les radioéléments choisis ou les mélanges de radioéléments choisis. La génération simulée des coups représentatifs du rayonnement est assurée par une méthode de Monte Carlo faisant appel à des nombres aléatoires. On est ainsi capable d'obtenir des réponses simulées du détecteur D qui permettent de construire des droites de régression analogues à celles utilisées dans l'art antérieur mais sans procéder à une véritable mesure. Seule une calibration du détecteur est faite avec un crayon quelconque du lot à contrôler, crayon dont on a auparavant analysé la composition réelle. La réponse du détecteur D obtenue avec ce crayon permet de calculer une masse fictive qui sert à tous les calculs ultérieurs. On donne ci-après des précisions supplémentaires sur la simulation. Avec le logiciel on calcule un nombre de coup et l'on cherche à reproduire le nombre de coups d'une pastille réelle. Le crayon utilisé pour la calibration permet de " caler " le logiciel. On connaît la composition isotopique et le pourcentage de chaque radioélément de chaque pastille de ce crayon. Lors de la simulation on calcule, pour chaque isotope i contribuant au spectre, l'activité de cet isotope en tenant compte de toutes les énergies j et de toutes les atténuations k intervenant entre le scintillateur et une pastille fictive. Le moteur mathématique permet de faire une répartition gaussienne de l'énergie en fonction de la résolution. On obtient ainsi un spectre simulé pour chaque isotope i considéré. Par sommation on obtient un spectre total pour l'ensemble des isotopes. On a donc simulé la réponse du détecteur. Ensuite (ou, selon un autre mode de réalisation particulier, avant cette simulation) on utilise le crayon de calibration. On obtient pour chaque pastille de ce dernier un comptage vrai au moyen du détecteur D. On met en oeuvre la simulation. On introduit dans l'ordinateur les paramètres concernant la pastille ainsi contrôlée. L'ordinateur calcule un spectre pour une région d'intérêt (c'est-à-dire une ou plusieurs bandes d'énergie auxquelles on s'intéresse). Si le comptage obtenu par simulation est trop fort ou au contraire pas assez fort on corrige la masse fictive jusqu'à obtenir le même comptage qu'avec la pastille réellement contrôlée (la masse fictive étant la masse de pastille pour laquelle on veut simuler une réponse de la part du détecteur et faisant intervenir non pas la forme du spectre mais l'amplitude de celui-ci). Quand on obtient un comptage équivalent, c'està-dire la masse fictive correcte, on sauvegarde cette valeur qui permet le calcul de tous les autres points des droites de régression. Bien d'autres détecteurs sont utilisables à la place du détecteur à scintillateur annulaire en iodure de sodium. On pourrait par exemple utiliser un détecteur à scintillateur plan en NaI ou un détecteur à scintillateur en GeLi.- De plus l'invention permet de simuler et de contrôler d'autres éléments combustibles que les crayons mentionnés précédemment dont les pastilles sont généralement cylindriques. On pourrait par exemple simuler et contrôler des éléments en forme de plaque contenant des pastilles non cylindriques. D'ailleurs la présente invention n'est pas limitée à la simulation et au contrôle d'éléments de combustible nucléaire. Elle permet de simuler et de contrôler bien d'autres objets radioactifs comme par exemple des récipients produits en série et contenant un matériau radioactif. On donne ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, les boucles de calculs utilisables pour la simulation de la réponse du détecteur D mentionné plus haut (figures 1 et 2) à une pastille 5 d'un combustible nucléaire formé par une matrice d'uranium contenant plusieurs isotopes du plutonium, seuls isotopes considérés dans les calculs qui suivent: 1) Début de boucle pour l'isotope (i) Av Activité(I = - x M x ti x %isotope x i/s avec: = rendement géométrique du détecteur = pourcentage de résolution indépendant de l' énergie, défini expérimentalement résolution(j)≥résolution du détecteur pour 1' énergie (j) s = surface du scintillateur du détecteur 1.1.1) Début de boucle pour l'élément atténuateur (k) [sa + aa + Z(k)xaa i a(i,jk)= C x P(CkxAv / A(k) PE(i,j,kr PP(i,j,k) (ij, k) avec: a = section efficace d'absorption photoélectrique PE(ij,k) ca=section efficace d'absorption Compton C(i,j,k) ca = section efficace de production de paires PP(i, j, k) Z(k) = numéro atomique de l'élément atténuateur (k) ÀP(k) = masse volumique de l'élément atténuateur (k) A(k) = masse atomique de l'élément atténuateur (k) Coeffi'cient d'atténuation(ijk)=exp(-xa(i,j,k) X(k)) avec:.X(k) = épaisseur de l'élément atténuateur (k) Flux final(i,j,k)=Flux initial(i,j,k-l1) x Coefficient d'atténuation(k) 1.1.2) Fin de boucle pour l'élément atténuateur (k) avec flux initial(i,j,k-l) pour k=1=flux initial(j,j) Scintillateur NaI: [aaNaI + ZNan x aNai) Av x x XP(Nma) a NaI n=l 1.1.4) Fin de boucle pour procédure de tirage de valeurs pour l'absorption photoélectrique et Compton Dôme Compton: Energie(j,) =hv(j)/(l+2hv(j>/0,511) Résolution(j, x flux final(ij,, x x p(Na étant l'énergie du photon diffusé qui est inférieure à Energie(j) adif = section efficace de diffusion C(j,. (" scattering ") Compton 1.1.5) Début de boucle pour procédure de tirage de valeurs pour la diffusion Compton On calcule N=1200 valeurs vn par tirage de nombres aléatoires suivant une distribution gaussienne centrée sur une valeur moyenne égale à Energie(j') et ayant un écart-type égal à Résolution(j,) Vn=vn x Diffusion dôme(jiNaI N Y Vn donne Spectre diffusion(i,j,)NaI n=l 1.1.6) Fin de boucle pour procédure de tirage de valeurs pour la diffusion Compton Front Compton (l'énergie de front Compton étant notée Energie(j,,> et inférieure à Energie(j,) Energie(j,,)={(2xhv(j/0,511)/[1+(2xhv(j>/0, 511)]}xhv(j) Résolution(j,,, = Energie(j,,)x ac Av Diffusion front(j,, )=adif (NaI)xZ(N et inférieure à Energie(j>) Energie(j,,,) =hv(j)/(1+2hv(j)/0,511) Résolution(j,,,): fixée par expériences Av Diffusion fond(j,,,l=adif (NaI)xZNIxflux final(i,j,k>x - xpa)xX(M} A(Nan C(j...)A Nr avec =odif = section efficace de diffusion sur le fond Cop.., Compton 1.1.9) Début de boucle pour procédure de tirage de valeurs pour le fond Compton On calcule N=1200 valeurs vn par tirage de nombres aléatoires, suivant une distribution gaussienne centrée sur une valeur moyenne égale à Energie(j,,,) et ayant un écart-type égal à Résolution(j,,,) Vn=vn x Diffusion fond(ij,,,)NaI N Z Vn donne Spectre diffusion( particulier, on pourrait en tenir compte. On détermine ensuite expérimentalement tm qui est le pourcentage de temps mort global qui est propre à la chaîne de comptage 7 du détecteurr D et l'on calcule Sxtm. On peut alors refaire tous les calculs pour d'autres régions d'intérêt c'est-à-dire des bandes d'énergie différentes. REVENDICATIONS 1. Procédé de simulation de la réponse d'un détecteur (D) de rayonnements émis par des objets radioactifs (16), ces objets contenant des radioéléments ou des mélanges de ceux-ci, ce procédé étant caractérisé en ce que: - on mémorise des spectres d'émission radioactive représentatifs des radioéléments ou des mélanges de ceux-ci, - on détermine des caractéristiques de détection du détecteur (D), - on détermine des caractéristiques d'exploitation des rayonnements reçus, - on choisit des radioéléments ou des mélanges de ceux- ci parmi ceux dont les spectres ont été mémorisés, et - on traite les caractéristiques de détection et les caractéristiques d'exploitation de manière à reproduire coup par coup les rayonnements émis pour des radioéléments ou des mélanges de radioéléments choisis, pour obtenir la réponse simulée du détecteur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les caractéristiques de détection comprennent des données représentatives des épaisseurs traversées par les rayonnements avant la détection de ceux-ci. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel les caractéristiques d'exploitation comprennent l'angle d'ouverture du détecteur (D), les bandes d'énergies détectées et les caractéristiques d'amplification électronique du détecteur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on construit en outre des droites de régression à partir de la réponse simulée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le détecteur (D) est un détecteur de rayonnements y. À.6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les objets sont des éléments de combustible nucléaire (16). 7. Procédé de contrôle d'un ensemble d'éléments de combustible nucléaire (16) mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 6, procédé de contrôle dans lequel - on analyse la composition réelle de l'un quelconque des éléments de l'ensemble, - on effectue une calibration du détecteur (D) avec cet élément dont on a analysé la composition réelle, - on corrige la réponse simulée en utilisant la réponse du détecteur obtenue lors de la calibration, et - on contrôle l'ensemble des éléments. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel les éléments sont des crayons du combustible nucléaire (16), ces crayons comprenant des empilements de pastilles (5) de ce combustible nucléaire. 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel le détecteur (D) comprend un scintillateur annulaire (1). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, dans lequel le détecteur (D) comprend un scintillateur en iodure de sodium (1).