Brevet FR3069700A1 — publié le 20190201

L'invention concerne le domaine de la mesure de flux neutronique à l'intérieur et à l'extérieur d'un coeur nucléaire ; elle vise plus particulièrement une chambre à fission permettant une identification d'évènements, et plus précisément une discrimination entre des évènements d'émission alpha et ceux de fission. Ainsi qu'on le sait, les chambres à fission sont des instruments importants dans le fonctionnement des réacteurs nucléaires car elles permettent, par mesure du flux neutronique, d'estimer la puissance qui y est dégagée localement. De manière générale, une chambre à fission comporte un espace d'ionisation entre deux plaques parallèles servant d'électrodes, entre lesquelles est établie une différence de potentiel ; un gaz est placé dans cet espace entre les deux plaques. Ce gaz est ionisé lors du passage d'un ion tel qu'un fragment de fission ; en effet, quand une particule traverse le gaz, des paires électrons-ions sont créées le long de sa trajectoire, en un nombre qui dépend de l'énergie de cette particule et de sa trajectoire. La migration des charges provoquée par le champ électromagnétique existant entre les électrodes induit un signal sur ces dernières ; la vitesse de propagation des électrons étant plus rapide que celle des ions, ce sont principalement ces électrons qui participent au signal collecté. Une telle chambre à fission permet une mesure de flux neutronique, à l'aide d'un dépôt d'actinide formé sur l'une des électrodes, en général la cathode ; les neutrons formant le flux neutronique à caractériser provoquent des fissions au sein de ce dépôt lorsqu'ils l'interceptent et le comptage des évènements de fission ainsi détectés permet de donner une mesure de ce flux. En effet, lorsqu'un neutron provoque un évènement de fission, les fragments générés par cette fission traversent le gaz d'où un signal collecté sur l'électrode opposée à celle portant le dépôt d'actinide, en général l'anode. Pour garantir que le champ électromagnétique existant entre les électrodes soit 2 constant dans toute la zone où se trouve le dépôt, ces électrodes s'étendent bien au-delà de la périphérie de ce dépôt, sur une dimension qui est typiquement d'au moins le double de la distance entre ces électrodes. Cependant, les actinides, en plus de générer des réactions de fission 5 lorsqu'ils sont bombardés par un flux neutronique, sont radioactifs alpha pour la très grande majorité d'entre eux. Chaque émission alpha conduit aussi à l'ionisation du gaz et apporte une contribution parasite au signal électrique détecté à l'anode, d'où un biais dans la détection des évènements de fission. Tant que les évènements alpha restent raisonnablement peu 10 nombreux, typiquement de l'ordre de quelques centaines à quelques milliers par seconde, on peut séparer les signaux générés par la fission et par l'émission alpha en profitant de leur différence d'amplitude (l'ionisation induite par un évènement de fission est très supérieure à celle causée par un évènement alpha). 15 Toutefois, certains actinides tels que les isotopes du plutonium ou l'uranium-233, peuvent montrer une très forte activité alpha, c'est-à-dire que les dépôts dans la chambre de fission peuvent induire plusieurs millions d'émissions alpha par seconde ; dans ce cas la discrimination entre évènements de fission et évènements alpha devient beaucoup plus difficile. En effet, le signal généré par 20 l'empilement des évènements alpha peut alors devenir plus important que celui généré par les évènements de fission. Cela se produit notamment lorsque des fragments sont émis perpendiculairement au dépôt d'actinide tandis que des alphas sont émis avec une incidence rasante : le produit de fission ne génère alors qu'un faible signal (il ne peut ioniser le gaz que sur une faible course, 25 transversalement aux électrodes), tandis que la particule alpha peut générer une ionisation plus importante du gaz avant d'intercepter l'électrode ; ce phénomène est encore renforcé lorsque le signal induit par un évènement de fission est comparé à celui causé par l'empilement de plusieurs émissions radioactives alpha. 30 Il est donc primordial de discriminer au mieux ces deux classes d'évènements. 3 Pour ce faire, il est connu, pour limiter l'impact parasite d'une succession rapide d'évènements alpha, de filtrer (analogiquement ou de manière numérique) le signal issu du préamplificateur collectant le signal entre les électrodes, en procédant à une différenciation temporelle avec une constante de 5 temps très courte. Toutefois, cela ne permet qu'une réduction très partielle de l'effet parasite des évènements alpha. Par ailleurs, dans le brevet US - 4 071 764, une limitation de l'impact des émissions alpha dans les chambres à fission est obtenue par une méthode de compensation entre les signaux provenant de zones différentes de la 10 chambre : plus précisément, une troisième électrode est prévue, concentrique à des électrodes délimitant une chambre à fission annulaire ; cette troisième électrode définit, avec l'une des électrodes délimitant la chambre à fission annulaire, une chambre contenant une couche à émission alpha (formée sur l'une ou l'autre des surfaces concentriques en regard), en conséquence de quoi une 15 compensation peut être obtenue à partir de signaux mesurés dans chacune de ces chambres. On comprend toutefois qu'une telle configuration est très particulière, complexe, et ne permet qu'une compensation partielle de l'effet parasite des évènements alpha. L'invention a pour objet d'éliminer au mieux l'effet perturbateur des 20 évènements alpha sur la mesure du signal provenant des évènements de fission intervenant dans une chambre de fission dont l'une des électrodes porte localement un dépôt d'actinide qui est situé dans un champ électromagnétique constant établi entre les électrodes et soumis à un bombardement neutronique, en sorte de garantir de pouvoir discriminer ces deux types d'évènements. 25 L'invention propose à cet effet une chambre à fission, adaptée à être soumise à un bombardement neutronique, comportant, dans une enceinte, deux électrodes planes parallèles, espacées d'une distance inter-électrode H et soumises à une différence de potentiel prédéterminée, et dont l'une porte localement un dépôt d'actinide en regard d'une zone locale de l'autre électrode, 30 une borne de sortie de signal étant connectée à cette autre électrode et un gaz ionisable occupant l'espace entre ces électrodes, ces électrodes s'étendant latéralement au-delà de la périphérie du dépôt d'actinide, respectivement de la 4 zone locale en regard de ce dépôt, d'une distance A > 2*H suffisante pour que le champ électromagnétique soit homogène entre la totalité du dépôt et la zone locale, caractérisée en ce que l'électrode faisant face à l'électrode portant le dépôt d'actinide est composée d'une portion centrale et d'une portion 5 périphérique isolées électriquement l'une vis-à-vis de l'autre en étant au moins approximativement au même potentiel, la portion centrale débordant latéralement de la zone locale d'une distance A1 valant au plus le double de l'espace inter-électrode H, la borne de sortie de signal étant uniquement connectée à cette zone. 10 En d'autres termes, par rapport à une configuration classique, l'électrode faisant face à celle portant le dépôt d'actinide, généralement l'anode (puisque le dépôt d'actinide est habituellement porté par la cathode), est segmentée en deux portions isolées électriquement dont une portion centrale qui fait face au dépôt d'actinide (en pratique en débordant légèrement d'une distance 15 A1 de préférence non nulle), et une portion périphérique au moins approximativement au même potentiel (à quelques 10% en pratique, voire moins) que la portion centrale ; le signal de mesure est uniquement collecté sur la portion centrale, ce qui minimise la contribution due aux évènements alpha ayant une incidence rasante; toutefois, la portion périphérique a une extension au-delà de 20 la portion centrale qui est suffisante (A > 2*H) pour permettre de stabiliser le champ dans une zone suffisamment grande par rapport au dépôt d'actinide pour que ce dépôt et la portion centrale soient entièrement situées dans un champ homogène, à savoir uniforme en orientation et stable en amplitude. Le champ électrique est considéré comme étant homogène lorsque 25 ses variations ne dépassent pas quelques pourcents, par exemple 5% par rapport à une valeur moyenne. De manière préférée : - les électrodes sont en forme de disques ayant un même axe, les portions centrale et périphérique de l'électrode faisant face à l'électrode portant 30 le dépôt d'actinide étant concentriques vis-à-vis de cet axe ; toutefois, en variante, les électrodes peuvent avoir la forme d'une bande, l'électrode faisant face à celle portant le dépôt d'actinide étant fractionnée en une bande centrale 5 et deux bandes latérales (formant conjointement la portion périphérique précitée) ; dans le premier cas, il y a avantageusement une symétrie par rapport à un axe perpendiculaire aux électrodes, dans le second cas, il y a avantageusement une symétrie par rapport à un plan perpendiculaire aux 5 électrodes, - dans la configuration concentrique précitée, la portion périphérique de l'électrode faisant face à l'électrode portant le dépôt est circonférentiellement interrompue pour le passage d'un bras s'étendant latéralement à partir de la portion centrale jusqu'à une borne de potentiel située à l'écart de cette portion 10 périphérique ; cela permet la mise à leurs potentiels respectifs des portions sans risque de les mettre en contact l'une avec l'autre, - les portions centrale et périphériques sont des zones métallisées formées sur un même support électriquement isolant, en étant séparées par une bande du support qui n'est pas métallisée sur une largeur suffisante pour isoler 15 électriquement ces zones métallisées centrale et périphérique ; cela constitue une version particulièrement simple et économique, même si, en variante, il peut aussi s'agir de pièces conductrices indépendantes, - la portion centrale s'étend latéralement, dans au moins une direction parallèle aux électrodes, sur une distance ,à1 comprise entre 0.5H et 1.5H ; ainsi 20 la portion centrale déborde au moins un peu par rapport à la zone locale, les fragments ayant une émission rasante ayant ainsi une influence du même ordre de grandeur que ceux émis perpendiculairement au dépôt, - l'actinide dont le dépôt est formé est souvent de l'uranium-235 ; il s'agit d'un actinide bien connu ; d'autres actinides peuvent toutefois être utilisés 25 selon les besoins, par exemple un autre isotope de l'uranium (uranium-233), ou des isotopes du plutonium (le plutonium-239, le plutonium-240) notamment... Des avantages et caractéristiques de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre illustratif non limitatif, en regard des dessins 30 annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma de principe de l'intérieur d'une chambre à fission conforme à l'invention, 6 - la figure 2 est une vue éclatée d'un exemple particulier de chambre à fission conforme au schéma de la figure 1, - la figure 3 est une vue de cette chambre juste avant la fermeture de son enceinte, et 5 - la figure 4 est une vue de détail de l'électrode formée d'une portion centrale et d'une portion périphérique. Dans le schéma de la figure 1, une chambre à fission représentée sous la référence générale 10, adaptée à être soumise à un bombardement 10 neutronique, comporte de manière classique, dans une enceinte schématisée sous la référence 11, deux électrodes planes parallèles 12 et 13 soumises à une différence de potentiel prédéterminée et dont l'une porte localement un revêtement d'actinide 14 en regard d'une zone locale de l'autre électrode, une borne de sortie de signal 15 étant connectée à cette autre électrode et un gaz 15 ionisable 16 occupant l'espace entre ces électrodes (« espace inter-électrode » dont la dimension perpendiculaire aux électrodes est notée H). Le revêtement d'actinide, le plus souvent obtenu par dépôt, peut notamment être constitué de plutonium-240 ou d'uranium-233 (en variante il peut s'agir de tout autre actinide ayant une forte activité alpha). Compte tenu de ce 20 que, dans le domaine considéré, c'est le vocable de dépôt qui est utilisé (indépendamment du détail de sa formation), c'est ce vocable qui est utilisé dans la suite. Le milieu ionisable entre les électrodes peut être un mélange argon-méthane (avec différentes proportions d'argon : 10%, 20%... ) à une pression 25 supérieure à la pression ambiante (par exemple entre 1 bar et 5 bars). Cependant, pour améliorer la rapidité de la réponse du détecteur un gaz tel le tétrafluorométhane (CF4) peut aussi être utilisé à pression ambiante. D'autres variantes sont possibles en fonction des besoins. L'une des électrodes, en pratique celle 12 portant le dépôt 14, est mise 30 à la masse et constitue donc une cathode tandis que l'autre des électrodes, en pratique celle 13 faisant face à celle portant le dépôt, est à un potentiel positif et constitue donc une anode. 7 Ces électrodes s'étendent latéralement (donc parallèlement à ces électrodes) au-delà de la périphérie du dépôt d'actinide (en ce qui concerne l'électrode 12), respectivement de la zone locale en regard de ce dépôt (en ce qui concerne l'électrode 13), d'une distance A > 2*H suffisante pour que le champ 5 électromagnétique soit homogène entre la totalité du dépôt et la zone locale. Pour des raisons de lisibilité de la figure 1, la zone de champ dans laquelle le signal est collecté est délimitée par des lignes en traits mixtes s'étendant d'une électrode à l'autre et repérés 17 (ces lignes s'étendent depuis les bords de la portion centrale). 10 De manière typique, l'électrode 13 faisant face à l'électrode 12 portant le dépôt d'actinide s'étend latéralement au-delà de la zone locale faisant face à ce dépôt sur une distance A au plus égale à trois fois l'écartement H de ces électrodes. La distance A est ici la même à droite et à gauche de la zone locale ; 15 de même, les électrodes se font ici face sur exactement la même surface, c'est- à-dire qu'elles ont des contours identiques. En effet, la configuration de la figure 1 est avantageusement symétrique par rapport à l'axe vertical qui y est représenté. Le dépôt 14 est avantageusement réalisé par électrodéposition sur la 20 cathode. Selon une variante un peu plus complexe à mettre en oeuvre, Il est possible de réaliser cette électrodéposition sur une pastille indépendante, ensuite fixée et mise en contact électrique avec la cathode. Lorsqu'un neutron vient à frapper le dépôt 14, il peut se produire des évènements de fission FF, c'est-à-dire la production de deux fragments de 25 fission, mais des évènements alpha a, c'est-à-dire l'émission de particules alpha (noyaux d'hélium 4) ont lieu spontanément ; chacun de ces types d'évènements est schématisé sur cette figure 1, dans une configuration relative défavorable, minimisant l'effet de l'évènement de fission et maximisant l'effet de l'évènement alpha en termes d'ionisation du gaz entre les électrodes ; plus précisément, 30 l'évènement de fission est représenté suivant une direction proche de la perpendiculaire aux électrodes et l'évènement alpha est représenté suivant une direction de faible inclinaison par rapport aux électrodes ; l'évènement de fission 8 a donc une distance de parcours bien plus courte, et donc génère un signal plus faible que l'évènement alpha, avant d'être stoppé, typiquement par l'électrode supérieure. Selon la nature de l'actinide, il peut se produire un très grand nombre d'évènements alpha par rapport au nombre d'évènements de fission, avec pour 5 résultat que, à cause de l'empilement de plusieurs évènements alpha, le signal généré par ceux-ci devient dominant par rapport au signal de fission. Conformément à un aspect important de l'invention, l'électrode 13 faisant face à l'électrode portant le dépôt est fragmentée en deux portions électriquement isolées l'une vis-à-vis de l'autre tout en étant au moins 10 approximativement au même potentiel ; plus précisément, il s'agit d'une portion centrale 13A et d'une portion périphérique 13B, ici séparés par la fente 18 appelée écart intra-électrode (à ne pas confondre ici avec l'espace H entre les électrodes). Les deux portions sont, de préférence, au même potentiel, mais une 15 différence de quelques pourcents peut être tolérée sans remettre en cause les explications qui suivent. Cette portion centrale fait face à la totalité du dépôt 14 et contient donc la totalité de la zone locale de l'électrode 13 qui fait exactement face à ce dépôt ; toutefois, de préférence, elle déborde latéralement, vis-à-vis de cette zone locale, 20 sur une distance A1 suffisante pour que les fragments émis en incidence rasante aient au moins la même influence dans le gaz que les fragment émis perpendiculairement au dépôt ; cette distance A1 est avantageusement comprise entre 0.5H et 1.5H, de préférence égale à la distance H séparant les deux électrodes. 25 C'est à cette seule portion centrale que le connecteur de sortie de signal est relié. Ainsi, l'électrode 13 a un contour extérieur similaire à celui des électrodes habituelles capables de générer, avec une électrode 12 de mêmes dimensions, un champ homogène dans l'espace séparant le dépôt d'actinide et 30 la zone locale de l'électrode 13; par contre, le fait que le signal de mesure ne collecte que l'impact des évènements interceptés par la portion centrale permet de minimiser la contribution, dans le signal global, des évènements alpha. 9 Dans une configuration préférée, les électrodes sont en forme de disques ayant un même axe, les portions centrale et périphérique de l'électrode faisant face à l'électrode portant le dépôt d'actinide étant des anneaux concentriques vis-à-vis de cet axe (en considérant que le disque central est un 5 anneau). Dans une telle configuration concentrique, il est avantageux (voir la figure 4) que la portion périphérique de l'électrode faisant face à l'électrode portant le dépôt soit circonférentiellement interrompue pour le passage d'un bras 19 s'étendant latéralement à partir de la portion centrale jusqu'à une borne de 10 potentiel située à l'écart de cette portion périphérique. Dans une variante de réalisation, dont la figure 1 représente également une coupe transversale, la portion centrale est une bande allongée, tandis que la portion périphérique est formée de deux bandes latérales bordant la bande centrale, de chaque côté. Ainsi, l'axe de la figure 1 peut, dans la 15 configuration préférée, représenter un axe de symétrie de l'ensemble, et dans cette variante, représenter la trace, dans le plan de la figure 1, d'un plan de symétrie de l'ensemble. Une manière simple d'obtenir une électrode 13 à deux portions électriquement isolées est de fabriquer un circuit imprimé. Plus précisément, 20 cette électrode peut être formée en utilisant un support électriquement isolé, tel qu'un substrat à circuit imprimé PCB (« Printed Circuit Board ») dont une face est métallisée, par exemple par un revêtement de cuivre ; par gravure d'une bande 18A au travers de la couche métallisée, on obtient les deux portions, formées sur un même support. La largeur de la bande est choisie en sorte de bien isoler 25 électriquement ces portions métallisées centrale et périphérique. Grâce au bras 19, l'électrode 13 peut être fixée dans son enceinte en trois emplacements 20A, 20B et 20C régulièrement répartis autour de l'axe des électrodes, tout en permettant la mise au potentiel voulu des deux portions de cette électrode. 30 Une chambre à fission conforme à l'invention a été testée en condition expérimentale réaliste. La figure 2 en représente les principaux éléments en vue éclatée, tandis que la figure 3 les représente après assemblage et avant fixation 10 d'un couvercle fermant l'enceinte de manière hermétique. Ainsi, l'enceinte 11 de cette chambre comporte une cuvette et un couvercle ; la cuvette a un fond muni de trois entretoises électriquement isolantes 11A, 11B et 11C destinées à être raccordées mécaniquement aux emplacements 20A, 20B et 20C de l'électrode 5 de la figure 4. Ces emplacements sont en outre connectés électriquement à des bornes non représentées, par des liaisons électriques non représentées. Sur ces entretoises est en outre fixée l'électrode 12 portant le dépôt 14 (orienté vers le bas, donc non visible). Le couvercle 20 comporte des canaux d'entrée ou sortie de gaz schématisés sous les références 21 et des bornes électriques 10 d'application de potentiel 22 ou de sortie de signal 15 (le nombre de canaux et de bornes peut, selon les besoins, être supérieur à celui représenté). On comprend aisément que, pour des raisons de lisibilité, les schémas ne sont pas à l'échelle. Le dépôt d'actinide a été formé sur 30 mm de diamètre, sur une 15 épaisseur surfacique de 0.25 mg/cm2, tandis que la portion centrale 13A de l'électrode 13 a été de 36 mm ; le diamètre externe des deux électrodes a été de 60 mm. La distance A est ici égale à (60-30)/2 = 15 mm, qui est bien au moins deux fois plus grand que H. Ce diamètre de 60 mm a été choisi pour des raisons pratiques (facilité de fixation mécanique dans l'enceinte de la chambre. La largeur 20 de la bande non métallisée séparant les portions centrale et périphérique a été de 0.5 mm. L'écartement H entre les électrodes a été de 2.5 mm (ainsi, la portion centrale déborde de la zone locale d'une valeur (36-30)/2 de 3 mm, ce qui est bien de l'ordre de grandeur de cet écartement. Un gain en efficacité de détection d'au moins 10% a été constaté, en 25 faisant circuler du CF4 sous une pression de l'ordre de la pression atmosphérique (à savoir 0.1 bars au-dessus de la pression atmosphérique). Le matériau actinide du dépôt a été du plutonium-240, montrant une activité de 14 millions d'émissions de particules alpha par seconde ; ce matériau a par ailleurs fissionné spontanément, à raison de 0.8 fission par seconde. Une 30 étude comparative a été réalisée, en référence à une anode classique, sans fragmentation en une portion centrale et une portion périphérique. Avec une anode classique, 65% des fissions ont pu être identifiées alors que, avec l'anode 11 conforme à l'invention, le taux de fissions correctement identifiées a été de 77%. Cela établit la plus-value d'une telle électrode étant noté que, avec l'actinide choisi, le nombre d'évènements alpha est considérablement plus élevé que le nombre d'évènements de fission. 5 L'apport de l'invention est donc encore plus net lorsque le rapport taux de fission sur taux d'alpha diminue. Dans le cas du Plutonium 240, il y a une fission spontanée, ce qui a permis de tester le dispositif sans utiliser de flux de neutrons. Pour des mesures de flux, le taux de fission dépend du flux de neutrons (l'apport de l'invention ne dépend donc pas uniquement du type d'actinide). REVENDICATIONS1. Chambre à fission, adaptée à être soumise à un bombardement neutronique, comportant, dans une enceinte (11, 20), deux électrodes (12, 13) planes parallèles, espacées d'une distance inter-électrode H et soumises à une différence de potentiel prédéterminée, et dont l'une (12) porte localement un dépôt d'actinide (14) en regard d'une zone locale de l'autre électrode (13), une borne de sortie de signal (15) étant connectée à cette autre électrode et un gaz ionisable occupant l'espace (16, H) entre ces électrodes, ces électrodes s'étendant latéralement au-delà de la périphérie du dépôt d'actinide, respectivement de la zone locale en regard de ce dépôt, d'une distance (A) au moins égale à 2H suffisante pour que le champ électromagnétique soit homogène entre la totalité du dépôt et la zone locale, caractérisée en ce que l'électrode (13) faisant face à l'électrode portant le dépôt d'actinide est composée d'une portion centrale (13A) et d'une portion périphérique (13B) isolées électriquement l'une vis-à-vis de l'autre en étant au moins approximativement au même potentiel, la portion centrale débordant latéralement de la zone locale d'une distance A1 valant au plus le double de l'espace inter-électrode (H), la borne de sortie de signal (15) étant uniquement connectée à cette zone centrale. 2. Chambre à fission selon la revendication 1, dont les électrodes (12, 13) sont en forme de disques ayant un même axe, les portions centrale (13A) et périphérique (13B) de l'électrode faisant face à l'électrode (12) portant le dépôt d'actinide (14) étant concentriques vis-à-vis de cet axe. 3. Chambre à fission selon la revendication 2, dans laquelle la portion périphérique (13B) de l'électrode faisant face à l'électrode portant le dépôt est circonférentiellement interrompue pour le passage d'un bras (19) s'étendant latéralement à partir de la portion centrale jusqu'à une borne de potentiel (20C) située à l'écart de cette portion périphérique. 4. Chambre à fission selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les portions centrale (13A) et périphérique (13B) sont des zones métallisées formées sur un même support électriquement isolant, en étant 13 séparées par une bande du support qui n'est pas métallisée sur une largeur suffisante pour isoler électriquement ces zones métallisées centrale et périphérique. 5. Chambre à fission selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 5 dans laquelle l'électrode (13) faisant face à l'électrode portant le dépôt d'actinide s'étend latéralement au-delà de la zone locale faisant face à ce dépôt (14) sur une distance au plus trois fois égale à l'écartement (H) de ces électrodes. 6. Chambre à fission selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle la portion centrale (13A) s'étend latéralement, dans au moins une 10 direction parallèle aux électrodes, sur une distance ,à1 comprise entre 0.5H et 1.5H. 7. Chambre à fission selon la revendication 1 dont la portion centrale est une bande allongée et la portion périphérique est formée par deux bandes latérales longeant cette portion centrale, ces portions étant symétriques par 15 rapport à un plan de symétrie s'étendant parallèlement à ces bandes en étant perpendiculaire aux électrodes. 8. Chambre à fission selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans laquelle l'actinide dont le dépôt est formé est choisi dans le groupe formé des isotopes de l'uranium et du plutonium. 20