CH360136A - Procédé de fabrication d'un dispositif de mesure de densité de neutrons et dispositif obtenu suivant ce procédé - Google Patents

Description

  
 



  Procédé de fabrication d'un dispositif de mesure de densité de neutrons
 et dispositif obtenu suivant ce procédé
 La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif de mesure de densité de neutrons et un dispositif obtenu par ce procédé pouvant servir à la mesure d'un dégagement de chaleur produit par des réactions nucléaires et, par conséquent, à la mesure de l'intensité de la source nucléaire provoquant la réaction.



   Dans beaucoup d'applications de la physique nucléaire et de l'énergie atomique, il est important de connaître non seulement la température de la réaction qui a lieu, mais également son intensité du point de vue nucléaire. Dans le cas d'un réacteur, par exemple, il est important de connaître le flux de neutrons existant à un instant donné en un point donné dans le réacteur ou à proximité de celui-ci spécialement pour des buts de régulation et de contrôle.



   Un certain nombre de procédés et de dispositifs différents sont utilisés pour mesurer la chaleur produite par une réaction nucléaire ainsi que pour mesurer l'intensité de la réaction en mesurant l'effet de dégagement thermique des particules nucléaires produites par la réaction. Ainsi, dans la mesure du flux de neutrons, on utilise des matières sensibles aux neutrons, telles que le bore ou l'uranium en les exposant au flux de neutrons à mesurer et en mesurant ensuite l'augmentation de température produite par l'interaction de ce flux de neutrons avec le bore ou l'uranium. L'interaction peut consister en une fission nucléaire ou en une simple capture des neutrons puisque la chaleur produite par ces réactions sur beaucoup de matières, lorsqu'on utilise une quantité connue de particules nucléaires d'une certaine éner  gie    est bien connue.



   Les dispositifs courants utilisent des thermopiles ou des séries de thermocouples, dont les soudures chaudes sont recouvertes d'une matière sensible aux neutrons, telle que celles mentionnées ci-dessus.



   Tous les dispositifs de ce genre existants ont deux défauts principaux. En premier lieu, le temps de réponse, c'est-à-dire le temps nécessaire pour déceler des changements dans la température et, par conséquent, dans le flux, est relativement grand. Dans la plupart des cas, il est de l'ordre de grandeur d'une seconde, ce qui est beaucoup trop lent pour contrôler un réacteur où des temps de réponse de l'ordre de 0,25 seconde et   même    moins sont nécessaires.



   Un second inconvénient des dispositifs existants est qu'ils utilisent le principe des thermocouples pour mesurer la température et que, par conséquent, il est nécessaire de maintenir la soudure froide à une température constante ou tout au moins de compenser les changements de la température ambiante.



   C'est pourquoi on utilise très souvent des instruments fonctionnant sur des principes entièrement différents qui donnent généralement des indications douteuses, tout en étant de grandes dimensions et coûteux.



   Le dessin représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution du dispositif de mesure de la densité des neutrons.



   Le procédé, objet du présent brevet, est caractérisé en ce qu'on établit une couche d'une matière sensible thermiquement aux neutrons, une barrière thermique en matière thermiquement isolante et une source froide, en ce qu'on place un élément thermoélectrique capable d'engendrer une différence de potentiel électrique et comprenant deux matériaux différents propres à former une soudure chaude et  une soudure froide, avec leurs soudures situées de part et d'autre de la barrière thermique, la soudure chaude étant placée sur la couche de matière sensible aux neutrons et la soudure froide étant placée sur la source froide, le tout de façon que le courant engendré par l'élément thermique soit proportionnel à la quantité de neutrons dirigée contre la matière sensible aux neutrons.



   Le dispositif de mesure de densité de neutrons obtenu par ce procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une barrière thermique, un élément thermoélectrique adjacent à au moins deux faces opposées de la barrière thermique pour pouvoir mesurer la différence de température régnant entre ces deux faces de la barrière thermique, une couche de matière sensible thermiquement aux neutrons adjacente à une face de la barrière thermique et de l'élément thermique et une source froide adjacente à l'autre face de la barrière thermique et de l'élément thermique.



   La fig. 1 est une coupe longitudinale, en partie schématique, d'une première forme d'exécution;
 la fig. 2 est une coupe longitudinale, en partie schématique, d'une autre forme d'exécution;
 la fig. 3 est un schéma en perspective montrant une thermo-pile et une résistance thermique;
 la fig. 4 est une coupe longitudinale en partie schématique montrant la forme d'exécution de la fig. 2 utilisant des thermo-piles de la fig. 3
 la fig. 5 est un schéma montrant comment les éléments de thermo-couples des fig. 2 ou 4 peuvent être reliés ensemble pour former une thermo-pile
 la fig. 6 est une coupe transversale en partie schématique suivant la ligne 6-6 de la fig. 7;
 la fig. 7 est une coupe longitudinale suivant la ligne 7-7 de la fig. 6;
 la fig. 8 est une courbe montrant la réponse dans le temps d'un dispositif pour différentes épaisseurs de résistance thermique;

  
 la fig. 9 est une courbe montrant le courant de sortie en fonction du flux neutronique pour une forme d'exécution du dispositif.



   En général, on utilisera une résistance thermique en une matière thermiquement isolante placée dans le courant de chaleur dont on désire mesurer le dégagement, les soudures chaudes et froides d'un thermocouple étant placées aux côtés opposés de ladite résistance en sorte que, en mesurant la chute de température à travers la barrière, on détermine effectivement la quantité de chaleur qui s'écoule à travers cette matière.



   En combinant ceci avec une couche très mince de matière sensible aux neutrons choisie et formée spécialement d'un côté de la barrière et en utilisant des éléments de thermocouples de construction spéciale, les titulaires ont constaté qu'on obtient une réponse très rapide au changement du flux neutronique et avec les dispositions montrées, cette réponse est sensiblement indépendante de la température ambiante.



   Dans la fig.   l,    la référence   1 1    représente une flux de neutrons que l'on désire mesurer et la référence 12 un matériau très fortement isolant à l'égard de la chaleur, choisi et agencé pour convenir à la température, à la pression et à d'autres conditions d'une application donnée.



   Le dispositif de mesure de chaleur proprement dit est essentiellement un sandwich comprenant d'abord une couche très mince de matière 13 sensible aux neutrons telle que du   bore10,    de   L'uranium    235 ou de l'oxyde d'uranium   (U4)    enrichi en isotope   U-235.    Cette couche est en contact étroit avec la soudure chaude 15 d'un thermo-couple 16 qui est à son tour en contact étroit avec la résistance thermique 14 constitue par une couche relativement mince de matière alliant une faible conductivité thermique à une faible capacité thermique, telle que le quartz.

   La soudure froide 15A du thermo-couple est en contact étroit avec la face opposée de la résistance thermique 14 et avec la source froide 18 qui est constituée par une masse métallique de grande capacité thermique telle que de l'acier inoxydable ou de l'aluminium.



   Dans la disposition montrée à la fig. 1, la couche 13 sensible aux neutrons ainsi que les éléments de thermo-couples 16 sont d'une épaisseur de   0,0254mm    à   0508 mm    environ. Les thermocouples comprennent des combinaisons d'argentconstantan, de cuivre-constantan ou d'antimoine platine. Les couches minces nécessaires peuvent être produites par diverses techniques de revêtement telles que le dépôt   plar    vapeur, le dépôt cataphorétique, et l'électro-placage, assurant un bon contact entre les couches du sandwich. On peut également fabriquer une série de thermo-couples en appliquant d'abord une couche mince de matière à thermocouple. On obtient ainsi un thermo-couple ou une thermo-pile simple. Un seul élément 16 est appliqué sur la résistance 14.

   Pour obtenir une série de thermo-couples, une partie de la matière est enlevée de la résistance 14 de manière à laisser un espace et à former ainsi deux éléments de thermo-couple.



   Dans l'utilisation du dispositif montré à la fig. 1 de la chaleur est engendrée par l'action des neutrons sur la matière 13 sensible aux neutrons, et cette chaleur est proportionnelle au flux de neutrons 11. Le thermo-couple 16 répond à la différence de température à travers la barrière thermique 14 dont l'épaisseur est de l'ordre de   0,254 mm.    La force électromotrice totale engendrée par tous les thermocouples 16 constituant la thermopile est proportionnelle au taux d'écoulement de chaleur à travers la barrière thermique 14 et, par suite, au flux de neutrons 11. Un appareil de mesure (non montré) qui peut être du type galvanomètre ou d'un autre type est relié. aux conducteurs 17 et peut être taré de toute façon convenable.

   Comme l'on mesure seulement la différence des températures d'un côté à l'autre du dispositif de mesure de chaleur, I'indication  du dispositif est indépendante des changements de la température ambiante.



   La forme de réalisation de la fig. 2 comprend deux couches de matière 23 sensible aux neutrons disposées dos à dos avec 2 résistances thermiques correspondantes 24 et deux jeux de thermo-couples 26 ayant leurs soudures chaude et froide respectives en 25 et 25a comme montré, le tout enfermé dans un boîtier protecteur convenable 28 qui sert aussi de source froide. Les indications de sortie des deux jeux de thermo-couples sont ajoutées pour obtenir le taux total d'écoulement de chaleur en les reliant comme montré à la fig. 5 où les éléments individuels 51 et 52 forment les soudures chaudes 55 et les soudures froides 55a, la différence de potentiel totale étant lue aux conducteurs terminaux 57.



   Un écran à l'égard de rayonnement thermique (non montré) peut être utilisé pour adapter le dispositif à toutes circonstances thermiques données.



   Un mode de construction préféré de thermo-pile et de résistance thermique est montré à la fig. 3   oil    les thermo-piles sont formées par des fils ayant un diamètre de l'ordre de   0,0254 mm    à   0,0508 mm,    enroulés autour d'une couche de matière de faible conductivité formant la barrière thermique 34. Les éléments de thermo-couples sont formés en plaquant, sur la moitié 32 de chaque section de fil entourant la matière, un second métal de conductivité électrique plus grande que celle du fil et capable d'engendrer un potentiel thermoélectrique avec le fil. Les soudures chaude et froide d'une telle thermo-pile sont formées au dernier point de contact du placage et du fil, au bord du placage, comme montré en 35 et 35A.



   Les formes représentées ont une durée de vie beaucoup plus longue que beaucoup de dispositifs comparables actuellement en usage.



   Le mode de construction préféré de la thermopile et de la résistance thermique de la fig. 3, en combinaison avec la forme de réalisation de la fig. 2, est montré à la fig. 4.



   Une variante qui utilise une source froide présentant une forme cylindrique au lieu d'une forme plate est montrée à la fig. 6 et à la fig. 7. A la fig. 6, 1'élément de forme cylindrique ayant un revêtement 63 de matière sensible aux neutrons est disposé concentriquement dans une résistance thermique 64 creuse de forme cylindrique et dans une boîte de métal 68.



  Les soudures chaudes 65 et soudures froides 65a des thermo-piles sont disposées en sandwich entre des sections concentriques comme montré. Un appareil de mesure (non représenté) est relié aux conducteurs 77.



   En utilisant les formes de réalisation de la fig. 2 et de la fig. 4, dans lesquelles la barrière thermique est en quartz et a une épaisseur de 0,1778   mm    environ, la couche sensible aux neutrons est du   bore-l0    et a une épaisseur de   0,0254    mm, la source froide est en acier inoxydable et a une épaisseur de
 6.35 mm environ et les thermo-couples sont construits en argent-constantan ou en antimoine-platine comme montré à la fig. 3, on peut obtenir une réponse dans le temps de moins de 25 millisecondes.



   Pour d'autres épaisseurs de la barrière thermique le temps de réponse est tel que montré à la fig. 8.



  Sur cette figure, on a porté en abscisses l'épaisseur de la barrière thermique en unités de 25,4 mm et en ordonnées le temps de réponse en   millisecondes   
I'indication R montre les temps de réponse obtenus.



   La tension de sortie constituant le signal obtenu aux bornes 57 du dispositif de la fig. 5, construit selon la fig. 4 avec une barrière thermique ayant une épaisseur de   0,1778 mm    et utilisant 100 éléments 51 et 52 dans chacune des deux thermo-piles avec une couche sensible aux neutrons à la fois de   bore-l0    et   d'U;3O8    enrichi en isotope U-235 est représentée à la fig. 9. Sur cette figure, le flux de neutrons, en neutrons par   cm2/seconde,    est porté en abscisse tandis que la tension de sortie constituant le signal est portée en millivolts, en ordonnée.

   L'indication B signifie la couche de B10 et l'indication C signifie une couche de   U,O,    enrichi en isotope   U-235.    On peut ainsi mesurer des neutrons d'énergie variant très largement.



   REVENDICATIONS
 I. Procédé de fabrication d'un dispositif de mesure de densité de neutrons, caractérisé en ce qu'on établit une couche d'une matière sensible thermiquement aux neutrons, une barrière thermique en matière thermiquement isolante et une source froide, en ce qu'on place un élément thermoélectrique capable d'engendrer une différence de potentiel   électri.-    que et comprenant deux matériaux différents propres à former une soudure chaude et une soudure froide, avec leurs soudures situées de part et d'autre de la barrière thermique, la soudure chaude étant placée sur la couche de matière sensible aux neutrons et la soudure froide étant placée sur la source froide, le tout de façon que le courant engendré par l'élément thermique soit proportionnel à la quantité de neutrons dirigée contre la matière sensible aux neutrons.
  

Claims (1)

1. II. Dispositif de mesure de densité de neutrons obtenu suivant le procédé de la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend une barrière thermique, un élément thermoélectrique adjacent à au moins deux faces opposées de la barrière thermique pour pouvoir mesurer la différence de température régnant entre ces deux faces de la barrière thermique, une couche de matière sensible thermiquement aux neutrons adjacente à une face de la barrière thermique et de l'élément thermique et une source froide adjacente à l'autre face de la barrière thermique et de l'élément thermique.

   SOUS-REVENDICATIONS 1. Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce qu'on prévoit dans l'élément thermique plusieurs thermo-couples, chacun de ces thermocouples comprenant deux matières différentes qu'on soude par une extrémité, qu'on relie lesdits thermocouples en série en formant des soudures chaudes et froides alternées, ces thermo-couples étant disposés autour de la barrière thermique de façon telle que les soudures chaudes et froides alternées soient placées de côtés opposés de la barrière thermique et que les soudures chaudes soient placées sur la couche de matière sensible aux neutrons et les soudures froides sur la source froide.

   2. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que la barrière thermique comprend une feuille de matière isolante thermiquement, en ce que l'élément thermique comprend une thermo-pile présentant des éléments thermo-couples dont les soudures chaudes sont disposées d'un côté et les soudures froides de l'autre côté de la feuille isolante, toutes les soudures étant parallèles entre elles et en ce que la couche en matière sensible aux neutrons est disposée du côté de soudure chaude de la thermo-pile.

   3. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que les éléments des thermo-couples ont une épaisseur comprise entre 0,0254 et 0,0508 mm.

   4. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que la couche sensible thermiquement aux neutrons a une épaisseur comprise entre 0,0254 et 0,0508 mm.

   5. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que la barrière thermique est construite en quartz et a une épaisseur de 0,1778 mm.

   6. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que l'élément thermique est un thermocouple comprenant un fil de métal dont une partie est revêtue d'un second métal capable d'engendrer un potentiel thermoélectrique avec ledit fil de métal, les soudures froides et chaudes dudit thermo-couple étant formées aux derniers points de contact du fil et du revêtement.

   7. Dispositif suivant la sous-revendication 6, caractérisé en ce que la barrière thermique comprend une feuille en matière isolante thermiquement, ledit fil de métal entourant cette feuille et étant en partie plaqué autour d'un bord de la feuille avec le second métal dont la conductivité est différente de celle du fil.

   8. Dispositif suivant la sous-revendication 7, caractérisé en ce que la conductivité du second métal est supérieure à celle du fil de métal.

   9. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que l'élément thermique comprend un thermo-couple monté sur la barrière thermique avec ses soudures chaude et froide disposées de côtés opposés de la barrière, la couche de matière sensible thermiquement aux neutrons étant mince et disposée du côté de la soudure chaude de la barrière thermique, et la source froide étant disposée du côté de la soudure de la barrière thermique, servant à isoler de la source froide la couche de matière sensible aux neutrons.

   10. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que l'élément thermique comprend un premier et un second thermo-couple montés respectivement sur une première et une seconde barrière thermiques oontiguës, avec leurs soudures chaudes disposées sur les côtés se faisant face des barrières thermiques et avec leurs soudures froides disposées sur les autres côtés desdites barrières thermiques, la couche de matière sensible aux neutrons étant disposée entre la première et la seconde barrière thermiques et la source froide étant disposée sur les autres côtés de la première et de la seconde barrière thermiques, lesdites barrières servant à isoler thermiquement de la source froide la couche de matière sensible aux neutrons.

   11. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que l'élément thermique est un thermocouple comprenant des éléments minces dont la soudure chaude est placée sur la couche de matière sensible aux neutrons, la barrière thermique étant composée de matière isolante thermiquement.

   12. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que l'épaisseur de la source froide est de l'ordre de 6,35 mm.

   13. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que la matière sensible aux neutrons comprend l'isotope de bore connu sous le nom de bore 0.

   14. Dispositif suivant la revendication II, caractérisé en ce que la matière sensible aux neutrons comprend l'isotope d'uranium connu sous le nom d'uranium-235.

   15. Dispositif suivant la revendication II, carat térisé en ce que la matière sensible aux neutrons comprend un composé d'uranium enrichi d'isotope d'uranium-235.