Brevet FR3087902A1 — publié le 20200501

CHAMBRE A FISSION HAUTE TEMPERATURE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention se situe dans le domaine des chambres à fission, et plus particulièrement des chambres à fission adaptées pour être utilisées à 5 haute température (nommées « chambre à fission haute température » ou CFHT). ETAT DE LA TECHNIQUE La présente invention concerne une chambre à fission utilisable à 10 haute température. Le principe d'une chambre à fission est connu, par exemple du document « Techniques de l'ingénieur », Mesure Nucléaire non Destructive dans le cycle du combustible, partie 1, BN 3 405. Une chambre à fission est un détecteur de neutrons qui comprend 15 au moins deux électrodes électriquement isolées l'une de l'autre. Sur au moins une électrode est déposée une couche de matière fissile, l'uranium 235 par exemple. La couche de matière fissile est généralement de faible épaisseur, adaptée pour permettre aux produits de fission de sortir de ladite couche. L'espace inter-électrodes est rempli par un gaz, qui peut ainsi être 20 nommé « gaz de remplissage » dans la présente description. Une chambre à fission comprend généralement une enceinte ou enveloppe, qui peut être cylindrique et qui contient le gaz de remplissage. L'enveloppe peut former une des électrodes. L'ensemble électrodes/inter-électrodes(/enveloppe) forme une 25 première partie, qui peut être nommée « partie active », de la chambre à fission. Les électrodes sont soit cylindriques, et généralement coaxiales, soit planes (elles peuvent alors être sous forme de plateaux). Les électrodes sont séparées l'une de l'autre par une distance 30 correspondant généralement au libre parcours moyen des produits de fission dans le gaz de remplissage. Des exemples de structure d'une chambre à fission sont décrits dans le document EP0715186 (chambre à fission subminiature avec 2 passage étanche) ou dans le document FR2662816 (chambre à fission à grande gamme de mesure). Un autre exemple d'une chambre à fission est représenté sur la figure 1. Sur la figure 1, la chambre à fission comporte une enveloppe 6 qui délimite le volume dans lequel un gaz de remplissage est contenu, généralement de l'argon (Ar). Dans cet exemple, l'enveloppe 6 forme aussi la cathode. Sur la face intérieure de la cathode est déposé le matériau fissile 8, par exemple de l'uranium 235. A l'intérieur et dans la direction longitudinale de l'enveloppe est disposée une anode centrale 4. La cathode est donc disposée en regard ou autour de l'anode. Une chambre à fission comprend des moyens pour polariser au moins une électrode à une tension nominale, de manière à générer un champ électrique. Quand un neutron passe à travers la chambre à fission, selon sa section efficace d'interaction, il a peu de chance d'interagir avec le métal dont sont constituées les électrodes ou avec le gaz de remplissage, mais il a une forte chance d'interagir avec le matériau fissile déposé sur les électrodes, générant ainsi une réaction de fission. Lorsqu'un neutron interagit avec le matériau fissile, deux produits de fission sont générés et émis dans la matière à 180° l'un de l'autre, en raison du principe de conservation de la quantité de mouvement. L'un des deux est émis dans l'épaisseur du matériau fissile et/ou de l'électrode supportant la couche de matériau fissile, et est donc perdu vis-à-vis de la mesure nucléaire. L'autre est émis dans le gaz de remplissage et ionise ledit gaz de remplissage. Ainsi, l'énergie des produits de fission émis lors de l'interaction des neutrons avec le matériau fissile permet de ioniser le gaz de remplissage contenu dans la chambre à fission. Cela génère quelques millions de paires ions-électrons. Les ions et les électrons, en suivant le champ électrique, se déplacent dans des directions opposées jusqu'à la collision avec les électrodes. Le mouvement des ions et des électrons dans l'espace inter-électrodes génère un courant induit dans les électrodes selon le théorème de 35 Shockley-Ramo, sous forme d'impulsion. 3 L'impulsion de courant est ensuite envoyée par un câble électrique vers un amplificateur de courant et est traitée par une électronique conçue spécifiquement pour cette application. Généralement, la chambre à fission comprend une seconde partie 5 formant la connexion électrique entre le câble électrique et ladite chambre, qui peut être nommée « partie connectique ». Elle est généralement remplie du même gaz à la même pression que le gaz compris dans la partie active de la chambre à fission. Dans ce cas, l'impulsion de courant sort de la partie active de la chambre à fission, via cette partie de connexion, comme o représentée sur la figure 1 par les références 12 et 14. Sur la figure 1, l'anode est ainsi raccordée à un câble extérieur 10 par l'intermédiaire des moyens de connexion 14 au niveau de la seconde partie 12, traversée par l'anode centrale 4. Les charges électriques ainsi créées par les produits de fission 15 sont collectées grâce au champ électrique établi entre les électrodes dont est pourvue la chambre à fission, chaque fission étant à l'origine d'une impulsion de courant électrique. Il est connu de transformer cette impulsion de courant en impulsion de tension grâce à des moyens électroniques appropriés. On peut 20 aussi obtenir et mesurer un courant continu moyen par sommation d'un grand nombre d'impulsions. Le contrôle et la commande d'un réacteur nucléaire nécessitent de mesurer des flux neutroniques dans des gammes de flux comprises entre 1 à 1012 neutrons/cm2/s. 25 Il est connu de couvrir une gamme de mesure importante au moyen d'une seule chambre à fission, en fonctionnant suivant trois modes différents d'analyse du signal, à savoir le mode « impulsion », le mode fluctuation » et le mode « courant ». Dans le mode impulsion, chaque fission se produisant à l'intérieur 30 de la chambre à fission donne naissance à une impulsion électrique. L'ensemble des impulsions est compté et analysé par des moyens électroniques dits « à impulsions », comportant typiquement un amplificateur, un discriminateur d'amplitude et un intégrateur. La gamme de mesure pour ce mode de fonctionnement est typiquement de 1 à 106 neutrons/cm2/s. 4 Le mode fluctuation, ou mode Campbell, est lié à l'application du théorème de Campbell autorisant la mesure de l'intensité d'un processus à partir de ses moments statistiques. Le mode fluctuation est possible lorsque le nombre de fissions par seconde, à l'intérieur de la chambre à fission, est 5 suffisamment important (supérieur à 104 neutrons/cm2/s), ces fissions induisant alors un courant fluctuant (ou variable). L'analyse des fluctuations de ce courant est fonction du nombre d'impulsions qui engendrent le courant. La possibilité de mesurer un flux neutronique par ce mode se situe dans une gamme allant typiquement de 104 à 109 neutrons/cm2/s. 10 Le mode courant est possible lorsque la chambre à fission est dans un plateau de fonctionnement en mode saturation. En effet, lorsque le courant débité par la chambre de fission atteint une valeur acceptable et que les courants parasites dus au rayonnement alpha du matériau fissile (typiquement de l'uranium) de la chambre à fission et au rayonnement 15 gamma ambiant sont négligeables devant le courant dû aux fissions et donc aux neutrons, il devient possible alors de mesurer un courant moyen. La possibilité de mesurer un flux neutronique par ce mode se situe à partir de 107 neutrons/cm2/s. En général, dans les zones de recouvrement, deux modes sont 20 utilisés afin d'avoir une double mesure. La chambre à fission est un des seuls détecteurs de neutrons qui puisse à la fois supporter des températures importantes, détecter les neutrons tout en étant insensibles au rayonnement gamma, travailler pendant plusieurs années à l'intérieur (in-core) d'un réacteur nucléaire et 25 suivre toute la dynamique de puissance du réacteur. Les avantages des chambres à fission sont : - une résistance mécanique, - une résistance thermique, - une résistance aux rayonnements, 30 - une haute sensibilité au flux neutronique et une faible sensibilité au flux gamma, - un faible encombrement, la capacité de mesurer des flux de neutrons dans des larges gammes (possibilité de travailler dans les trois modes précités : impulsion, fluctuation, courant). 5 Cependant, lorsque la température augmente, typiquement lorsqu'elle dépasse 400°C, et lorsque la tension appliquée est de l'ordre d'une à quelques centaines de volts (tension nominale de fonctionnement des chambres à fission), les chambres à fission connues commencent à 5 produire un signal parasite dû au phénomène de décharge partielle (« Partial Discharge » en anglais) qui s'ajoute à la mesure neutronique réelle. Ce phénomène est illustré dans les figures 2A et 2B et est notamment décrit dans la publication « Rejection of partial-discharge-induced pulses in fission chambers designed for sodium-cooled fast reactors » o Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 848 2017 109-113 (H. Hamrita, C. Jammes, G. Galli, F. Laine). La figure 2A illustre le comptage des signaux parasites (« ndc » signifiant « nombre de coups ») en fonction du temps (s) et la figure 2B illustre une impulsion parasite après amplification en volts (« Amplitude (V) ») en fonction du temps (s), en l'absence des 15 neutrons, dans une chambre à fission à 650°C et 400V, contenant de l'argon comme gaz de remplissage. Le signal parasite fausse ainsi la mesure neutronique, ce qui rend la mesure peu fiable. Cela peut avoir un impact par exemple lors du démarrage du réacteur, ou lors de l'utilisation des chambres à fission pour des applications 20 particulières (détection des rupteurs de gaine dans un réacteur nucléaire par exemple). Cela peut également générer un vieillissement prématuré de la chambre à fission. En particulier, ce phénomène est dommageable lorsqu'on 25 souhaite mesurer un flux de neutrons à l'intérieur (« in-core ») d'un réacteur nucléaire de quatrième génération, ou dans un réacteur de fusion, dans des conditions où la température autour de la chambre à fission peut être supérieure à 400°C. Une manière connue d'éviter le phénomène de décharge partielle 30 est d'ajouter un anneau de garde, qui est une électrode spécifique capable d'éliminer physiquement les décharges partielles. Cette solution a toutefois comme inconvénient de nécessiter le rajout dans la chambre à fission d'un câble électrique supplémentaire, ce qui augmente l'encombrement de ladite chambre, et le rend plus difficile d'utilisation notamment dans un réacteur 35 nucléaire. 6 Ainsi, l'invention vise à surmonter les inconvénients précités de l'art antérieur. Plus particulièrement, elle vise à disposer d'une chambre à fission utilisable à haute température, pouvant être nommée « chambre à fission 5 haute température » (CFHT), tout en conservant les avantages précités des chambres à fission connues, notamment la résistance mécanique et thermique, la résistance aux rayonnements, la haute sensibilité au flux neutronique et la faible sensibilité au flux gamma, un faible encombrement, et une capacité à mesurer des flux de neutrons dans des larges gammes. 10 Il serait en outre avantageux que la chambre à fission soit d'utilisation simple. EXPOSE DE L'INVENTION Un objet de l'invention permettant d'atteindre ce but est une 15 chambre à fission comprenant : - une première partie formant un premier volume étanche au gaz et contenant : - un gaz de remplissage ; - au moins une couche d'un matériau fissile ; et 20 - au moins deux électrodes électriquement isolées entre elles, lesdites électrodes étant tout ou partie contenues dans le premier volume, une électrode étant reliée à au moins un élément conducteur ; le gaz de remplissage étant du xénon. 25 Selon un mode de réalisation, la première partie comprend une enveloppe étanche au gaz. Selon un mode de réalisation particulier, l'enveloppe forme une électrode. Selon un mode de réalisation, le matériau fissile est déposé sur au 30 moins une électrode. Selon un mode de réalisation particulier, le matériau fissile est déposé sur une surface intérieure de l'enveloppe. Selon un mode de réalisation, les électrodes sont des cylindres droits circulaires. 35 7 Selon un mode de réalisation, la chambre à fission comprend en outre une seconde partie comprenant des moyens de connexion entre l'électrode reliée à au moins un élément conducteur et ledit élément conducteur. 5 Selon un mode de réalisation particulier, la seconde partie forme un second volume étanche aux gaz. Selon un mode de réalisation particulier, les premier et second volumes sont reliés entre eux, le second volume contenant également du xénon. 10 Un autre objet de l'invention est une utilisation d'une chambre à fission en mode impulsion. Un autre objet de l'invention est une utilisation d'une chambre à fission en mode fluctuation. Un autre objet de l'invention est une utilisation d'une chambre à 15 fission en mode courant. La chambre à fission selon l'invention peut être utilisée selon plusieurs modes (impulsion, fluctuation, courant) à la fois. DESCRIPTION DES FIGURES 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide de la description qui suit, donnée à titre illustratif et non limitatif, faite en regard des figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 illustre une chambre à fission connue de l'état de la technique ; 25 les figures 2A et 2B illustrent le phénomène connu de décharge partielle ; la figure 3 présente deux courbes de discrimination, l'une pour une chambre à fission connue (remplie en argon) et l'autre pour une chambre de fission selon l'invention (remplie 30 en xénon) ; la figure 4 présente deux courbes de saturation, l'une pour une chambre à fission connue (remplie en argon) et l'autre pour une chambre de fission selon l'invention (remplie en xénon) ; 8 la figure 5 présente une courbe d'impulsion lors de l'interaction d'un neutron dans une chambre à fission selon l'invention ; la figure 6 présente une courbe de comparaison entre une 5 chambre de référence (chambre d'ionisation à dépôt de Bore) et une chambre de fission selon l'invention (en mode pulse, et selon deux modes fluctuation K2 et K3) sur une plage de puissance donnée d'un réacteur nucléaire. 10 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Les figures 1, 2A et 2B ont déjà été décrites dans la partie état de la technique de la présente description et ne seront pas reprises ici. La chambre à fission selon l'invention peut présenter la même 15 géométrie que la chambre à fission illustrée dans la figure 1, le gaz de remplissage étant du xénon. D'autres géométries sont possibles dans la portée de la revendication 1, c'est-à-dire dans la mesure où la chambre à fission comprend une première partie formant un premier volume étanche au gaz et 20 contenant comme gaz de remplissage du xénon et au moins une couche d'un matériau fissile ; et au moins deux électrodes électriquement isolées entre elles, lesdites électrodes étant tout ou partie contenues dans le premier volume et une électrode étant reliée à au moins un élément conducteur. Les inventeurs ont testé une chambre à fission remplie de xénon 25 pendant plusieurs jours en présence de hautes températures jusqu'à 650°C et n'ont jamais enregistré l'apparition du signal parasite mentionné plus avant. Les figures 3 à 6 montrent par ailleurs que la chambre à fission selon l'invention conserve les avantages des chambres à fission connues, 30 notamment une haute sensibilité au flux neutronique et une faible sensibilité au flux gamma, une capacité à mesurer des flux de neutrons dans des larges gammes en utilisant notamment les modes impulsion, fluctuation et courant. La figure 3 montre deux courbes de discrimination (qui permettent de montrer qu'une chambre à fission présente une forte sensibilité aux 35 neutrons et ainsi discrimine bien les neutrons notamment par rapport aux 9 gammas et/ou au bruit de fond électronique), l'une pour une chambre à fission connue (remplie en argon Ar) et l'autre pour une chambre de fission selon l'invention (remplie en xénon Xe), les deux ayant une géométrie et une pression de remplissage équivalentes. 5 La figure 4 montre deux courbes de saturation (qui permettent de montrer qu'une chambre à fission présente une bonne stabilisation du signal, due à un régime d'ionisation stable à partir d'une tension appliquée à la chambre), l'une pour une chambre à fission connue (remplie en argon Ar) et l'autre pour une chambre de fission selon l'invention (remplie en xénon Xe), 10 les deux ayant une géométrie et une pression de remplissage équivalentes. La gamme de flux de neutrons est exprimée en coups par seconde (c/s). Nous pouvons constater que les deux chambres à fission présentent des modes de fonctionnement tout à fait équivalents. 15 La figure 5 présente une courbe d'impulsion lors de l'interaction d'un neutron dans une chambre à fission selon l'invention. Elle montre que l'impulsion en question est plus large, environ 300 ns, que les impulsions habituelles à la sortie des chambres à fission contenant de l'argon comme gaz de remplissage, qui sont d'environ 150 ns. Ceci représente un avantage 20 en ce que cela facilite la détection des impulsions neutroniques par les systèmes électroniques déjà conçus. En outre, une chambre à fission selon l'invention a été irradiée sur un réacteur nucléaire de recherche afin de mesurer sa réponse sous flux neutronique, et de tester la linéarité de sa réponse en fonction de la 25 puissance du réacteur. Le résultat est illustré en figure 6. La figure 6 montre le comportement d'une chambre à fission selon l'invention dans un réacteur de recherche comparé à celui d'une chambre de référence (courbe en pointillés), qui est une chambre d'ionisation à dépôt de Bore et qui est utilisée en même temps que la chambre à fission pendant les 30 essais correspondant aux trois modes de traitement du signal : le premier basé sur le mode pulse (courbe en trait épais), le second sur un mode fluctuation « K2 » (courbe en pointillés) et le troisième sur un mode fluctuation « K3 » (courbe en trait fin) ont permis de traiter le signal donné par la chambre à fission en fonction de la puissance du réacteur. L'axe des 35 abscisses correspond au temps de la mesure pendant lequel des paliers de 10 puissance du réacteur sont appliqués et mesurés par les deux détecteurs. Nous pouvons constater que tout au long de la mesure, en fonction de la puissance incidente, un ou deux modes de mesures donnent des résultats similaires à ceux obtenus avec la chambre de référence. En particulier, le 5 seul mode fluctuation « K3 » donne des résultats similaires pour tous les paliers de puissance. En outre, la chambre à fission selon l'invention peut conserver la géométrie et les matériaux des chambres à fission connues. Elle peut notamment conserver un faible encombrement. 10 Enfin, elle ne nécessite pas de câblage supplémentaire, et plus largement elle ne nécessite pas de rajouter un élément supplémentaire, ce qui lui permet notamment d'être simple d'utilisation. En outre, tout élément d'une chambre à fission devant tenir dans les conditions d'utilisation (radiation, température ...), il est avantageux de ne pas devoir en ajouter. 15 Ainsi, la chambre à fission selon l'invention est utilisable à haute température, sans présenter l'inconvénient de la décharge partielle (et donc sans génération d'un signal parasite), tout en conservant les avantages précités des chambres à fission connues, notamment la résistance mécanique et thermique, la résistance aux rayonnements, la haute sensibilité 20 au flux neutronique et la faible sensibilité au flux gamma, un faible encombrement, une capacité à mesurer des flux de neutrons dans des larges gammes, et une simplicité d'utilisation. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s'étend REVENDICATIONS1. Chambre à fission comprenant : - une première partie formant un premier volume étanche au gaz et contenant : - un gaz de remplissage ; - au moins une couche d'un matériau fissile ; - au moins deux électrodes électriquement isolées entre elles, lesdites électrodes étant tout ou partie contenues dans le premier volume, une électrode étant reliée à au moins un élément conducteur ; le gaz de remplissage étant du xénon. 2. Chambre à fission selon la revendication 1, la première partie comprenant une enveloppe étanche au gaz. 3. Chambre à fission selon la revendication 2, l'enveloppe formant une électrode. 4. Chambre à fission selon l'une des revendications 1 à 3, le matériau fissile étant déposé sur au moins une électrode. 5. Chambre à fission selon les revendications 3 et 4, le matériau fissile étant déposé sur une surface intérieure de l'enveloppe. 6. Chambre à fission selon l'une des revendications 1 à 5, les électrodes étant des cylindres droits circulaires. 7. Chambre à fission selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre une seconde partie comprenant des moyens de connexion entre l'électrode reliée à au moins un élément conducteur et ledit élément conducteur. 8. Chambre à fission selon la revendication 7, la seconde partie formant un second volume étanche aux gaz. 12 9. Chambre à fission selon la revendication 8, les premier et second volumes étant reliés entre eux, le second volume contenant également du xénon. 5 10. Utilisation d'une chambre à fission selon l'une des revendications 1 à 9 en mode impulsion. 11. Utilisation d'une chambre à fission selon l'une des 10 revendications 1 à 9 en mode fluctuation. 12. Utilisation d'une chambre à fission selon l'une des revendications 1 à 9 en mode courant.