Détecteur de produits de fission contenus dans un gaz
L'invention a pour objet un détecteur de produits de fission contenus dans un gaz dans lequel des particules ionisées, issues par désintégration des produits de fission présents dans le gaz, sont collectées, par précipitation électrostatique, sur des plages choisies sur la surface d'un organe transporteur et qui comporte un appareil de mesure disposé auprès de cet organe transporteur pour déterminer la radioactivité de chaque plage après que lesdites particules sont recueillies, la géométrie et le mouvement de l'organe transporteur étant tels qu'une nouvelle collection, sur une zone déterminée, n'est possible qu'après une durée suffisante, pour que cette plage soit relativement décontaminée, par décroissance naturelle des produits recueillis.
Parmi les détecteurs de produits de fission, on connaît ceux décrits dans le brevet suisse No 357252.
Dans ces dispositifs, l'organe transporteur est un tambour et la collection est faite sur la surface externe de la jante de ce tambour. Les zones de collection sont déterminées par les positions angulaires du tambour et la durée de décontamination par décroissance naturelle est fonction du nombre de zones de collection, celles-ci venant se présenter cycliquement, dans la position de collection en regard de l'électrode de précipitation.
On sait que pour qu'un détecteur à tambour fonctionne de façon satisfaisante, la surface extérieure de la jante doit être usinée avec précision.
Plus le diamètre du tambour est grand, plus il est délicat d'atteindre la précision demandée. Des difficultés supplémentaires apparaissent si on désire des zones de collection relativement longues ce qui entraîne un allongement de la surface usinée du tambour et un centrage rigoureux pour profiter de cet usinage.
Afin de diminuer la puissance des organes de mise en position du tambour, il y a intérêt à prévoir un tambour dont le moment d'inertie soit le plus réduit possible. Ces considérations conduisent à utiliser un tambour creux; on ne peut cependant réduire l'épaisseur de la jante au-delà d'une certaine limite sans nuire à la rigidité nécessaire pour bénéficier de la précision de réalisation de la surface usinée et du centrage rigoureux. Dans ces conditions, pour des tambours de grand diamètre et de paroi latérale relativement longue, il est difficile de réduire le moment d'inertie de l'organe transporteur.
On sait qu'il est apparu avantageux en ce qui concerne le principe, d'avoir en combinaison avec un organe transporteur en forme de tambour, une chambre de formation et de collection située à proximité immédiate de la zone du tambour en position de collection. La mise en application soulève cependant des difficultés car le joint d'étanchéité dont doit être équipée ladite chambre se situe dans un plan perpendiculaire à celui des autres joints de l'appareil.
L'invention a pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs connus, en particulier ceux résultant des difficultés d'usinage et de centrage précis de l'organe transporteur; elle permet une réduction de la puissance des organes de mise en position du transporteur, et facilite le montage de la chambre de formation et de collection.
A titre indicatif le détecteur selon l'invention est particulièrement adapté à la détection et à la surveillance des fissures pouvant se produire dans les gaines des éléments combustibles d'un réacteur nucléaire en fonctionnement. Dans cette utilisation, le gaz contenant les produits de fission provient des prélèvements opérés dans le fluide de refroidissement circulant dans le réacteur, étant entendu que si ce fluide est un liquide le gaz introduit dans le détecteur est le gaz provenant du dégazage de ce liquide.
Une autre application pour laquelle le détecteur selon l'invention est particulièrement adaptée est celle de la mesure du flux neutronique le long d'un canal de réacteur, par l'intermédiaire d'un échantillon pouvant se déplacer le long de ce canal et dont l'émission en produit de fission est approximativement proportionnelle aux flux de neutrons au voisinage de l'échantillon.
Le détecteur selon l'invention est caractérisé en ce que l'organe transporteur présente une surface usinée plane indéformable sur laquelle sont choisies les plages de collection, et qu'il est animé, au cours d'un cycle opératoire d'un mouvement provoquant le déplacement de la surface usinée dans son plan.
Le principal avantage résultant d'un transporteur plan réside dans la nécessité d'usiner avec précision seulement une surface plane.
Ce transporteur peut être constitué par un disque animé d'un mouvement de rotation autour de son axe.
Il peut être associé à une chambre de formation et de collection présentant une géométrie sphérique.
Il peut être constitué en un matériau diélectrique, les électrodes servant à établir le champ de précipitation électrostatique étant situées de part et d'autre de l'organe transporteur.
Dans le cas où l'organe transporteur est constitué par un disque, il est possible de réaliser un détecteur relativement peu encombrant inscrit dans un cylindre dont la section droite correspond approximativement à celle du disque tandis que les organes mécaniques sont tous groupés d'un côté du disque et les organes électriques et électroniques sont situés de l'autre côté. Cette disposition permet, de plus, de concevoir un appareil se montant par empilement selon l'axe du cylindre mentionné évitant ainsi la réalisation de joints dans des plans orthogonaux ce qui soulève toujours des problèmes délicats.
Pour mieux faire comprendre les caractéristiques techniques de la présente invention on va en décrire trois formes d'exécutions applicables à la surveillance des ruptures de gaine dans un réacteur nucléaire.
La fig. 1 est une vue en plan de la première forme d'exécution avec l'organe transporteur sur lequel on a représenté en trait interrompu les positions de la chambre de précipitation électrostatique, du scintillateur associé à un photomultiplicateur et du boîtier des dispositifs électroniques auxiliaires du détecteur.
La fig. 2 en représente une vue en coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1.
La fig. 3 en représente une vue en coupe sui- vant la ligne III-III de la fig. 1.
La fig. 4 est une vue en perspective du dispositif détecteur muni de ces boîtiers protecteurs.
La fig. 5 est un schéma illustrant une deuxième forme d'exécution dans laquelle l'organe transporteur est constitué d'un disque en matière isolante, la face usinée de cet organe étant métallisée.
La fig. 6 est un schéma illustrant une troisième formes d'exécution dans laquelle l'organe transporteur est constitué d'un disque ayant un rebord formant une couronne mince de matière diélectrique, dont certaines régions constituent les zones de collection.
L'organe transporteur est de préférence un disque qui comporte N régions circulaires situées à égale distance de son centre et réparties de façon régulière, le décalage angulaire entre deux régions collectrices voisines étant 360/N = a. I1 tourne de façon intermittente et occupe autant de positions qu'il comporte de régions constituant les zones de collection. Dans l'une de ces positions une zone de collection subit l'opération de précipitation électrostatique, une tension élevée étant appliquée entre le disque et l'électrode de précipitation. Cette zone de collection est ensuite placée devant un scintillateur associé à un photomultiplicateur qui en mesure la radioactivité. Les zones collectrices occupent ensuite les positions restantes, accomplissant alors le trajet de décontamination par décroissance naturelle.
Le décalage angulaire A de e la chambre de pré- cipitation électrostatique par rapport à l'ensemble scintillateur-photomultiplicateur, doit être un multiple entier de l'angle a. On a A = pa. Afin que toutes les positions de l'organe transporteur soient utilisées il faut que les nombres entiers p et N soient premiers entre eux.
Lorsque l'on désire effectuer une mesure très précise de la radioactivité acquise par les régions collectrices à la suite de l'opération de précipitation électrostatique, chacune de ces zones passe deux fois sous l'ensemble scintillateur-photomultiplicateur, une première fois avant d'être soumise à ladite opération, pour mesurer l'activité résiduelle et une seconde fois après. Le mouvement de l'organe transporteur est déterminé en conséquence à l'aide de cames entraînées par le moteur commandant le mouvement de l'organe transporteur, ces cames établissant un programme pour l'alimentation dudit moteur.
La fig. 1 représente une vue en plan d'un détecteur de produits de fission, conforme à l'invention.
On distingue le disque métallique 1 qui constitue l'organe transporteur. Sa face supérieure usinée avec précision comporte une série de régions circulaires 2, 3, 4, 5, 6 situées à égale distance du centre de ce disque et constituant les zones de collection.
Le cercle 7 représente le boîtier du détecteur. Les silhouettes en trait interrompu dessinées sur la figure montrent les emplacements des organes essentiels montés au-dessus du disque. On voit la chambre de précipitation électrostatique 8, I'ensemble scintilla teur-photomultiplicateur 9 ainsi que le boîtier 10 contenant les appareils électroniques auxiliaires.
Le disque 1 jouant le rôle d'organe transporteur est monté sur une plaque de support 1 1 à laquelle est fixé le dispositif d'entraînement de l'organe transporteur que représente la fig. 2.
La fig. 2 montre le disque 1 vu en coupe radiale. Celui-ci a une ouverture centrale 12 et un profil déterminé de façon que pour un moment d'inertie faible, il ait une rigidité satisfaisante. On choisit, par exemple, un profil à gradins. L'organe transporteur est logé dans une cavité 13 de la plaque support 11 cette cavité lui étant adaptée. Il est maintenu dans une position correcte au moyen de la colonne 14, coaxiale à la cavité, faisant partie intégrante de la plaque 11.
La liaison entre la colonne 14 et l'organe transporteur est établie au moyen d'un roulement à billes libre 15a et d'un roulement à billes de butée 15b.
Les roulements 15a et 15b assurent la mise à la masse du disque 1.
L'organe transporteur comprend trois surfaces cylindriques 16a, 16b et 16c, une couronne dentée 17 étant rapportée sur la surface 16b de diamètre intermédiaire entre ceux des faces supérieure et inférieure. Cette couronne est entraînée par le pignon 18 qui est monté sur l'arbre 19 du réducteur 20 qu'entraîne le moteur 21. L'alimentation 22' du moteur 21 est programmée au moyen de cames entraînées par le réducteur 20 et contenues dans la boîte 22. Le dispositif d'entraînement est protégé par un boîtier 21'.
Afin que, au cours de la série de cycles correspondant à l'utilisation de toutes les régions collectrices du disque, le positionnement de ce disque soit commandé par une seule came (boîte 22) effectuant un tour complet, le rapport de réduction du réduc
3600 N teur 20, associé au moteur, doit être égal à -.
A p
Le gaz dans lequel on désire détecter les produits de fission, traverse d'abord un filtre puis pénètre dans une chambre de formation et de collection en forme de secteur sphérique 8 où les ions se forment et subissent l'opération de précipitation électrostatique. Par suite de la disposition des électrodes, de la différence de potentiel qui leur est appliquée et de la géométrie adoptée, le temps de transit des ions formés dans la région de la chambre la plus éloignée de la zone de collection est encore relativement petite, par rapport à la durée de vie de ces ions, de sorte que la probabilité de collection de ceux-ci est grande.
La chambre de collection 8 est représentée en détail en fig. 3. Elle a une asymétrie de révolution autour d'un axe parallèle à l'axe du disque 1. La distance entre ces axes est égale à celle entre le centre du disque et le centre d'une zone de collection. La partie inférieure 23 de cette chambre a une forme tronconique. Elle est usinée dans un bloc de matière isolante 24 (polymère du méthacrylate de méthyle ou plastique stratifié du type phénol-formoldéhyde).
Son ouverture inférieure 25 qui s'adapte exactement à la surface du disque est circulaire et a le diamètre désiré des zones de collection.
La partie inférieure 23 de la chambre de collection est surmontée d'une électrode 26, en forme de calotte sphérique, centrée sur le sommet du cône dont fait partie le tronc de cône qui constitue la surface latérale de la chambre de collection. Cette électrode est de préférence réalisée en acier inoxydable, elle est maintenue dans une position correcte au moyen du bloc 27 de matière isolante s'adaptant exactement au bloc 24, celui-ci est traversé de-deux conduits (l'un de ceux-ci, le conduit 28 est visible sur la fig. 3, l'autre 29 est représenté sur la fig. 1) ils prolongent les canalisations 30 et 31 (fig. 1) d'introduction et d'évacuation du fluide de refroidissement contenant les gaz de fission.
Le diamètre de la zone de collection n correspondant au diamètre de l'ou- verture 25 est un paramètre dont on peut disposer indépendamment des dimensions de la chambre de collection, pour autant que la configuration du champ ne soit pas trop perturbée. Il est bien évident que plus la chambre de collection est éloignée du centre du disque plus on dispose d'une couronne de collection de surface importante.
I1 est possible de rendre rigoureusement radial le champ à l'intérieur de la chambre de précipitation au moyen de plusieurs anneaux de garde de diamètres différents disposés sur la surface 23 et portés à des potentiels appropriés. L'ensemble des pièces formant la chambre 8 est protégé par un boîtier 8' qui supporte la pression du gaz dans la chambre.
Ce dernier comporte à sa partie supérieure une prise étanche 32 jouant le rôle de passage isolant, qui permet de réunir l'électrode 26 à une source de haute tension extérieure.
Le scintillateur ss33, le conduit de lumière 34 en Plexiglass et le photomultiplicateur 35 qui cons titueut l'ensemble 9 sont contenus dans le boîtier 9'.
Ce boîtier contient également le-câblage du - photomultiplicateur dont la place est indiquée par le repère 36. Un support 37 maintient dans une posi-tion correcte le photomultiplicateur 35 et le câblage.
A la partie supérieure de ce support est fixée une prise étanche 38 qui joue le rôle de passage isolant, permettant de réunir le photomultiplicateur à une source de haute tension non représentée et de recueillir les impulsions électriques produites par le photomultiplicateur.
Dans certains cas il est nécessaire de placer un blindage 39 entre la chambre de collection et le scintillateur.
La vue en perspective de la fig. 4 montre l'ensemble du dispositif détecteur protégé par divers boîtiers et couvercles. On distingue la plaque-support 1 1 sur laquelle est monté le disque 1 et le couvercle 40 qui est fixé à cette plaque. On voit également les boîtiers 8', 9' et 10' qui protègent respectivement la chambre de précipitation électrostatique 8, l'ensemble scintillateur photomultiplicateur 9 et les appareils électroniques auxiliaires 10. Le dispositif d'entraînement du disque 1 est fixé à la plaquesupport 11 et contenu dans un boîtier métallique inférieur 21'.
La fig. 5 est une vue partielle d'un dispositif analogue à celui que représente les fig. 1-4 dans lequel on a utilisé un disque 41 en matière isolante dans la face plane duquel est encastré un anneau métallique 42. Cette face plane étant recouverte d'une couche métallique 43. La chambre de collection 44 est analogue à la chambre 8 sauf en ce qui concerne ses connexions électriques. Elle a la forme d'un secteur sphérique, dont la paroi latérale 45 est isolante tandis que la calotte supérieure 46 est métallique.
I1 est avantageux de réunir à la masse l'électrode 46 alors que la surface métallisée du disque 41 est réunie à la borne négative d'une source de haute tension. Cette connexion est établie au moyen d'un contact glissant entre une pièce 47 réunie à la source de haute tension et l'anneau 42. Cette pièce 47 traverse le couvercle métallique 48 du dispositif au moyen d'un passage isolant 49.
Le dispositif de la fig. 6 comporte un organe transporteur 50 qui peut être un disque de matière diélectrique dont la partie périphérique est amincie, certaines régions de la face supérieure de cette partie constituant les zones de collection. Le diélectrique formant la couronne de l'organe transporteur doit permettre l'écoulement des charges électriques des ions collectés. On peut également pour augmenter la rigidité de l'organe transporteur utiliser un disque métallique 50 ayant à sa partie supérieure un dégagement périphérique 51 qui permet de rapporter une couronne mince 52 de diélectrique. Une série de régions circulaires de sa face supérieure constitue alors les zones de collection.
Dans les deux cas envisagés, la chambre de collection 44 est semblable à celle du dispositif de la fig. 5 déjà décrite, l'électrode de collection 46 étant également mise à la masse. Ici la seconde électrode 53 servant à créer le champ de précipitation électrostatique est placée sous la zone en position de collection et au voisinage du centre de la sphère dont fait partie l'électrode 46. La seconde électrode 53 réunie à la borne négative d'une source de haute tension est maintenue dans une position correcte par la pièce isolante 54.
On remarquera que le courant de collection s'établit à travers la zone de collection, la légère conductibilité de la couronne 52 permettant d'éviter que l'accumulation des charges s'oppose à l'opération de précipitation électrostatique.
I1 est à noter que les lignes de force traversant la chambre de collection aboutissent toutes à la zone de collection, il en résulte qu'il ne peut pas
s'établir de trajets de fuite des ions formés dans la chambre de collection 44 comme dans le cas de la
chambre 8 déjà décrite et représentée sur la fig. 3.
L'existence de ces trajets de fuite est gênante car elle limite l'efficacité de la chambre de collection.
De nombreuses variantes peuvent être envisagées dans l'utilisation d'un détecteur en particulier on peut prévoir une ou plusieurs zones sur lesquelles on ne collecte jamais. Les informations provenant des mesures de radioactivité faites sur la zone sur laquelle on ne collecte jamais peuvent être exploitées par exemple de la manière indiquée dans le brevet suisse No 359420.
Dans les exemples de réalisation décrits, l'organe transporteur a la forme d'un disque. Il est bien évident que l'on peut prévoir des formes d'exécution du détecteur dont l'organe transporteur n'a pas cette forme particulière. On peut également utiliser un organe transporteur soumis à des déplacements de translation au cours du trajet cyclique décrit par une zone de collection déterminée.