Brevet FR3125135A1 — publié le 20230113

Dispositif de détection neutronique à chambre d’ionisation et à transduction optique comprenant plusieurs cavités optiques, logeant chacune l’extrémité libre d’une fibre optique. L’invention concerne un dispositif (1) de détection neutronique comprenant au moins une chambre d’ionisation étanche (2) et à transduction optique à plusieurs cavités dont le fonctionnement de chacune est basé sur la transduction optique à partir d’une fibre optique à l’extrémité libre au sein de la cavité, qui permet une mesure multipoint de flux neutronique, les points de mesures étant axialement distribués. Figure pour l’abrégé : Fig.2 Dispositif de détection neutronique à chambre d’ionisation et à transduction optique comprenant plusieurs cavités optiques, logeant chacune l’extrémité libre d’une fibre optique. La présente invention concerne le domaine de l’instrumentation, notamment des réacteurs nucléaires de fission et de fusion. Elle concerne plus particulièrement des détecteurs de neutrons du type chambre d’ionisation, et en particulier, des détecteurs de neutrons fonctionnant sur une étendue de mesure de plusieurs décades et pouvant s’adapter à de fortes contraintes d’installation telles qu’un diamètre infra-centimétrique de doigt de gant et de passage de câble. La conduite d’un réacteur, qu’il soit de puissance ou de recherche, répond à des exigences fortes en terme de suivi de plusieurs paramètres de fonctionnement. Parmi ceux-ci, la puissance thermique produite est un des paramètres clés. Celle-ci est directement corrélée au flux neutronique à proximité ou au sein de la cuve. Ainsi, une augmentation du flux de neutrons se traduit par une augmentation du niveau de puissance du réacteur. Différentes techniques de mesure du flux neutronique existent, et sont regroupées sous le terme de détecteur de neutrons. Le développement de ceux-ci doit prendre en compte plusieurs contraintes. Parmi les plus importantes figurent les contraintes d’installation. Ces contraintes géométriques sont, par exemple, le diamètre des doigts de passage, du type doigt de gants ou encore celui des passages de câble. Afin de limiter le nombre de détecteurs à introduire en cœur, un fonctionnement sur une étendue de mesure de plusieurs décades constitue un avantage certain. Un seul détecteur, au lieu de trois habituellement, permet alors le suivi du flux neutronique depuis l’état de démarrage jusqu’à l’état de pleine puissance. Une autre contrainte concerne l’intégrité du signal. Dans le cas d’une transmission électrique, connue pour être la seule utilisée actuellement, le recours à un câble coaxial blindé s’impose, afin de se protéger des perturbations électromagnétiques ou encore de possibles problèmes de diaphonie entre les lignes de transmission du signal elles-mêmes. Par ailleurs, les hauts niveaux d’irradiation au sein d’une cuve de réacteur, ainsi que des températures dépassant les 300°C limitent drastiquement le type de détecteurs neutroniques pouvant être utilisées. Les détecteurs de la famille des chambres à ionisation connus pour leur robustesse dans un tel environnement aux conditions extrêmes sont ainsi privilégiés. Des détecteurs tels que des scintillateurs ou encore des détecteurs solides à base de silicium ne présentent en aucune façon le même niveau de fiabilité dans ce cas précis. Les chambres d’ionisation actuelles, telles que des chambres à dépôt de bore ou des chambres à fission, fonctionnent classiquement sur le principe d’une transduction d’un flux neutronique en un signal électrique. Cette transduction électrique est réalisée au moyen d’une ou plusieurs paires d’électrodes polarisées à quelques centaines de volts. Le nombre de paires d’ions collectées par les électrodes est égal au mieux au nombre de paires d’ions produites par le rayonnement incident, et dépend du type et de l’énergie cinétique des particules incidentes. Comme déjà mentionné, pour obtenir un signal exploitable, une transduction électrique nécessite un blindage électromagnétique de la ligne de transmission. Par ailleurs, une transduction électrique est peu satisfaisante en termes de nombre de points de mesure réalisables en présence de fortes contraintes d’encombrement. En effet, si le problème à résoudre est d’avoir plusieurs points de mesure distribué le long d’un canal cylindrique de 15 mm de diamètre et de 1 m de long, cette solution ne permet pas d’obtenir plus de deux points de mesure à cause du diamètre de la ligne de transmission (câble coaxial d’au moins 6 mm de diamètre), tout en supposant que le diamètre du détecteur soit d’environ 10 mm tout au plus. La demande de brevet WO 2017/027679 propose un détecteur neutronique multipoint, de ce type dénommé commercialement par le déposant « Micropocket fission detector» (acronyme MPFD). Les faibles performances de ce détecteur MPFD, en termes de transmission des signaux, le rendent non opérationnel : des perturbations des champs électriques par les lignes de transmission apparaissent ainsi qu’un phénomène de diaphonie inductive et capacitive entre ces mêmes lignes de transmission. Le principe d’une nouvelle voie en rupture par rapport à celle de la transduction électrique a été proposée par les inventeurs : voir par exemple les publications [1] à [5]. Ce principe consiste à réaliser une transduction optique en collectant les photons produits dans une chambre à ionisation. Cette solution repose ainsi sur la transduction du signal neutronique en un signal optique. En effet, lors d’une ionisation d’un gaz par un ion lourd issu de la réaction entre un neutron et un matériau actif, tel qu’un matériau fissile, une cascade électronique se produit et conduit à une excitation puis une désexcitation dans une zone spectrale allant de l’ultraviolet, d’environ 80 nm, à l’infrarouge moyen entre environ et 2000 et 3000 nm, avec une luminescence du fait de l’émission marquée dans la zone infrarouge et proche-infrarouge des atomes de ce même gaz. Ce phénomène est schématisé en . Cette luminescence engendrée est ensuite collectée au moyen d’une fibre optique adaptée à la tenue sous irradiation, limitant de fait la zone spectrale à exploiter. En effet, il a été montré que des fibres optiques en silice sous irradiation atténuent très peu, typiquement quelques dB/km, un signal optique dont la longueur d’onde se situe dans le proche infrarouge, typiquement entre 800 et 1100 nm: voir [5]. La transduction du signal optique en un signal électrique est quant à elle réalisée hors cuve d’un réacteur nucléaire au moyen d’un ou plusieurs transducteurs du type photodiode, photomultiplicateur à base de silicium, voire caméra Cela étant, si les publications [1] à [5] précitées démontrent la preuve de concept du suivi de flux de neutrons par une méthode optique passive, elles ne proposent rien pour répondre au besoin d’un dispositif de mesure multipoint compact. Il existe par conséquent un besoin de proposer un dispositif de détection neutronique et /ou gamma permettant de réaliser une mesure du flux neutronique en ligne simultanée en plusieurs points, et ce avantageusement en respectant des contraintes d’encombrement qui peuvent être très fortes. Pour ce faire, l’invention a pour objet un dispositif de détection neutronique comprenant au moins une chambre d’ionisation étanche et à transduction optique qui s’étend selon un axe longitudinal (X) et comprenant plusieurs cavités optiques, chaque cavité optique logeant l’extrémité libre d’une fibre optique et comprenant au moins une paroi interne revêtue au moins partiellement d’au moins un matériau actif, les cavités optiques étant remplies d’un gaz, de préférence sous pression, apte à être ionisé par un ion issu de la réaction entre un neutron et le matériau actif, chaque cavité optique étant délimitée par un cylindre fermé à ses extrémités longitudinales par des disques de fermeture, dont la paroi interne latérale est revêtue au moins partiellement d’un matériau actif, les cylindres des cavités sont accolés les uns aux autres en étant centrés sur l’axe longitudinal (X), au moins un des cylindres des cavités étant percé latéralement d’une ouverture débouchante, adaptée pour laisser passer une des fibres optiques dont l’extrémité libre qui est logée dans une cavité adjacente. La chambre d’ionisation est étanche de préférence sous pression, typiquement sous quelques bars. Le gaz de remplissage est avantageusement un gaz noble, tel que l’argon, ou un mélange de gaz nobles. Le matériau actif peut être un élément fissile ou encore du bore. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend : - un corps cylindrique d’axe central (X) délimitant intérieurement la chambre d’ionisation et une chambre de connexion accolée axialement à la chambre d’ionisation, la chambre de connexion étant percée d’une ouverture débouchante adaptée pour laisser passer un câble optique multifibres comprenant un nombre de fibres optiques au moins égal à celui du nombre de cavités ; - un dispositif de passage étanche de cloison, agencé entre la chambre d’ionisation et la chambre de connexion, adapté pour laisser passer les fibres optiques dont les extrémités libres sont logées chacune dans une cavité optique. La chambre de connexion assure le passage du câble optique multifibre vers l’extérieur du détecteur et garantit une rigidité mécanique robuste de la jonction entre le câble multifibre et la chambre d’ionisation. Cette chambre peut être non-étanche à la pression extérieure et dans ce cas aucune étanchéité n’est requise. Le dispositif de passage étanche du faisceau de fibres à travers la paroi séparant la chambre de connexion et la chambre d’ionisation est réalisée de telle sorte que cette dernière reste étanche. Une variante avantageuse de réalisation du dispositif passage étanche consiste en un regroupement des fibres optiques préalablement brasées entre elles, le regroupement étant lui-même brasé à la paroi de séparation entre la chambre de connexion et la chambre d’ionisation qu’il traverse. Ainsi, selon cette variante, les fibres sont d’abord brasées entre elles, puis l’ensemble brasé est brasé à la paroi de séparation entre les chambres. Des brasures fortes à base d’argent, de cuivre ou d’aluminium sont préférées pour des températures d’exploitation jusqu’à 700ºC. Des brasures faibles, à base d’étain-plomb sont envisageables jusqu’à 300ºC. Avec un tel cheminement, consistant en une introduction d’une fibre au travers d’une ouverture de passage latérale d’une cavité adjacente à celle dans laquelle l’extrémité libre de la fibre est logée, on prend en compte avantageusement le rayon de courbure des fibres optiques. Ce cheminement optimal vérifie ainsi la contrainte mécanique d’une fibre liée à son rayon de courbure minimal, entre 15 mm et 30 mm. Selon cette variante, un des disques de fermeture du cylindre de cavité est percé en son centre d’une ouverture débouchante, adaptée pour laisser passer l’extrémité libre de la fibre optique. Le positionnement central de l’extrémité libre d’une fibre optique a pour effet de maximiser la collecte des photons. En effet, le cône d’acceptance de la fibre couvre ainsi de façon maximale le volume de la cavité optique dans lequel elle est logée. Avantageusement, cette couverture du cône d’acceptance peut être augmentée en plaçant une lentille en forme de bille à l’extrémité de la fibre. En d’autres termes, cette lentille en bout de l’extrémité libre de la fibre permet d'augmenter l’efficacité de collecte de la fibre. Cet embout optique formant une lentille peut par exemple être soudée en extrémité de fibre. On peut se référer par exemple à : https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=13120. Selon une autre variante avantageuse de réalisation, la chambre d’ionisation comprend une zone dite de regroupement, exempte de cavités optiques, dans laquelle les différentes fibres optiques du câble sont regroupées pour être distribuées à l’extérieur des cavités optiques le long de la paroi interne latérale de la chambre d’ionisation, dans un secteur angulaire donné jusqu’à leur passage à travers l’ouverture débouchante latérale d’un cylindre de cavité. De préférence, la longueur axiale de la zone de regroupement est supérieure ou égale à 2 cm. Ainsi, avant de parvenir jusqu’aux différentes cavités optiques, les fibres sont regroupées en un faisceau dans la zone de regroupement dont la longueur axiale permet de respecter la contrainte due au rayon de courbure de chacune des fibres. Avantageusement, le cylindre d’une cavité optique a un diamètre supérieur ou égal à 10 mm environ et une hauteur supérieure ou égale à 2 cm. Avec ces dimensions, on respecte les contraintes d’une part liées à la fabricabilité du détecteur et d’autre part celles dues au rayon de courbure minimal d’une fibre optique. Selon un autre mode de réalisation avantageux, au moins une des cavités optiques comprend au moins une paroi de séparation agencée, de préférence dans un plan transversal à l’axe X, de sorte à mesurer des indices de spectre neutronique différents en fonction de la partie de la cavité de part et d’autre de la cavité. Autrement dit, la séparation de la cavité définit des sections efficaces différentes du ou des matériaux actifs, ce qui permet une mesure d’indice de spectre neutronique distribuée sur plusieurs points. Ainsi, l’invention consiste essentiellement en un détecteur neutronique à chambre d’ionisation étanche à plusieurs cavités dont le fonctionnement de chacune est basé sur la transduction optique à partir d’une fibre optique à l’extrémité libre au sein de la cavité, qui permet une mesure multipoint de flux neutronique, les points de mesures étant axialement distribués. Les dimensions des cavités et l’agencement des fibres optiques peuvent rendre le dispositif très compact. L'extrémité libre d’une fibre doit pouvoir collecter un maximum de photons engendrés au sein d'une cavité optique. Son positionnement doit donc être précis. La collecte sera d'autant plus réduite qu'elle s'éloigne de la paroi d'entrée de la cavité optique. Ainsi, une extrémité de fibre optique contre la paroi d’entrée de la cavité optique sur le même plan que celle-ci engendre idéalement 100% de l’efficacité de collecte. Par ailleurs, pour des raisons de maintien mécanique de la fibre et de non-troncature du cône optique (angle solide), il est préférable de positionner l’extrémité libre de la fibre à environ au moins 1 mm de l’orifice d’entrée (ouverture débouchante) de la cavité optique. Ainsi de préférence, l’extrémité libre de la fibre optique est agencée entre 1 et 2 mm de l’ouverture débouchante de la cavité optique par laquelle elle sort, de préférence encore entre 1 et 1,5 mm. Un détecteur de neutrons miniaturisé selon l’invention peut être adapté afin de résister aux environnements à haute température et à fort niveau d’irradiation tels que ceux trouvés à l'intérieur d'un réacteur nucléaire en fonctionnement. Au final, un détecteur selon l’invention permet de respecter au mieux les contraintes d’intégration auxquelles il peut être confronté tout en préservant un excellent rapport-signal sur bruit des mesures multipoint de flux neutronique. L’invention a également pour objet un procédé de fonctionnement d’un dispositif de détection neutronique qui vient d’être décrit selon lequel on réalise une mesure du flux neutronique simultanément en plusieurs points d’au moins une partie de la pluralité de cavités optiques. Les applications de l’invention sont nombreuses parmi lesquelles on peut citer : la mesure en ligne simultanée en plusieurs points du flux neutronique et gamma dans un réacteur nucléaire ; la caractérisation et suivi du flux neutronique non seulement dans un réacteur nucléaire, que ce soit un réacteur expérimental ou un réacteur électrogène ; la localisation d’éléments combustibles fondus pendant ou après un accident grave (perte de refroidissement ou encore transitoire de puissance); la localisation de bouchons de conditionnement, en particulier en plutonium colloïdal, dans des procédés de traitements chimiques. D’autre avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes. La est une vue schématique illustrant le principe d’une luminescence engendrée par l’ionisation d’un gaz par une particule ionisante, dénommée le plus souvent ion lourd, issue de la réaction entre un neutron et un matériau actif. la est une vue schématique en coupe longitudinale d’un dispositif de détection neutronique selon l’invention. la est une vue en coupe transversale selon le plan A de la . la est une vue en coupe longitudinale d’une cavité optique d’un dispositif selon une variante de réalisation avec cloison de séparation. Dispositif (1) de détection neutronique comprenant au moins une chambre d’ionisation étanche (2) et à transduction optique, qui s’étend selon un axe longitudinal (X) et comprenant plusieurs cavités optiques (20), chaque cavité optique logeant l’extrémité libre (41) d’une fibre optique (40) et comprenant au moins une paroi interne revêtue au moins partiellement d’au moins un matériau actif, les cavités optiques étant remplies d’un gaz, de préférence sous pression, apte à être ionisé par un ion issu de la réaction entre un neutron et le matériau actif, chaque cavité optique étant délimitée par un cylindre (23) fermé à ses extrémités longitudinales par des disques de fermeture, dont la paroi interne latérale est revêtue au moins partiellement d’un matériau actif, les cylindres des cavités étant accolés les uns aux autres en étant centrés sur l’axe longitudinal (X), au moins un des cylindres des cavités étant percé latéralement d’une ouverture débouchante (21), adaptée pour laisser passer une des fibres optiques dont l’extrémité libre qui est logée dans une cavité adjacente. Dispositif (1) selon la revendication 1, comprenant : - un corps cylindrique (10) d’axe central (X) délimitant intérieurement la chambre d’ionisation et une chambre de connexion (3) accolée axialement à la chambre d’ionisation, la chambre de connexion étant percée d’une ouverture débouchante adaptée pour laisser passer un câble optique multifibres (4) comprenant un nombre de fibres optiques au moins égal à celui du nombre de cavités ; - un dispositif de passage étanche de cloison (5), agencé entre la chambre d’ionisation et la chambre de connexion, adapté pour laisser passer les fibres optiques dont les extrémités libres sont logées chacune dans une cavité optique. Dispositif (1) selon la revendication 2, le dispositif de passage étanche (5) consistant en un regroupement des fibres optiques préalablement brasées entre elles, le regroupement étant lui-même brasé à la paroi de séparation entre la chambre de connexion et la chambre d’ionisation qu’il traverse. Dispositif (1) selon l’une des revendications précédentes, un des disques de fermeture du cylindre de cavité étant percé en son centre d’une ouverture débouchante (24), adaptée pour laisser passer l’extrémité libre de la fibre optique. Dispositif (1) selon l’une des revendications précédentes, la chambre d’ionisation comprenant une zone dite de regroupement (22), exempte de cavités optiques, dans laquelle les différentes fibres optiques du câble sont regroupées pour être distribuées à l’extérieur des cavités optiques le long de la paroi interne latérale de la chambre d’ionisation, dans un secteur angulaire donné jusqu’à leur passage à travers l’ouverture débouchante latérale d’un cylindre de cavité. Dispositif (1) selon la revendication 5, la longueur axiale de la zone de regroupement étant supérieure ou égale à 2 cm. Dispositif (1) selon l’une des revendications précédentes, le cylindre d’une cavité optique ayant un diamètre supérieur ou égal à 10 mm et une hauteur supérieure ou égale à 2 cm. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins une des cavités optiques comprenant au moins une paroi de séparation (25) agencée, de préférence dans un plan transversal à l’axe X, de sorte à mesurer des indices de spectre neutronique différents en fonction de la partie de la cavité de part et d’autre de la cavité. Procédé de fonctionnement d’un dispositif (1) de détection neutronique selon l’une des revendications précédentes selon lequel on réalise une mesure du flux neutronique simultanément en plusieurs points d’au moins une partie de la pluralité de cavités optiques. Utilisation d’un dispositif de détection neutronique selon l’une des revendications 1 à 8, pour la mesure en ligne simultanée en plusieurs points du flux neutronique et gamma dans un réacteur nucléaire. Utilisation d’un dispositif de détection neutronique selon l’une des revendications 1 à 8, pour la caractérisation et suivi du flux neutronique dans un réacteur nucléaire. Utilisation d’un dispositif de détection neutronique selon l’une des revendications 1 à 8, pour la localisation d’éléments combustibles fondus pendant ou après un accident grave, telle qu’une perte de refroidissement ou transitoire de puissance. Utilisation d’un dispositif de détection neutronique selon l’une des revendications 1 à 8, pour la localisation de bouchons de conditionnement, en particulier en plutonium colloïdal, dans des procédés de traitements chimiques.