EP4275036A1 - Dispositif et procédé de mesure d'un absorbant neutronique dans un fluide - Google Patents

Dispositif et procédé de mesure d'un absorbant neutronique dans un fluide

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EP4275036A1
EP4275036A1 EP22700080.9A EP22700080A EP4275036A1 EP 4275036 A1 EP4275036 A1 EP 4275036A1 EP 22700080 A EP22700080 A EP 22700080A EP 4275036 A1 EP4275036 A1 EP 4275036A1
Authority
EP
European Patent Office
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detector
fluid
detectors
neutrons
isotope
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22700080.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Adrien Sari
Nouhaila TABTI
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4275036A1 publication Critical patent/EP4275036A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C17/00—Monitoring; Testing ; Maintaining
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    • G21C17/022—Devices or arrangements for monitoring coolant or moderator for monitoring liquid coolants or moderators
    • G—PHYSICS
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    • G01V5/10—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for well-logging using primary nuclear radiation sources or X-rays using neutron sources
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    • G01N2223/60—Specific applications or type of materials
    • G01N2223/637—Specific applications or type of materials liquid

Definitions

  • the technical field of the invention is the measurement of a neutron absorber in a fluid, a targeted application being the determination of the concentration of boron (or other absorbing isotope) in the water of the primary circuit of a nuclear reactor. .
  • the reactivity in a nuclear reactor In a nuclear reactor, cooled by water, the reactivity must be controlled in order to prevent the occurrence of a criticality situation.
  • the reactivity in the primary circuit is adjusted by adding an isotope with significant neutron absorption.
  • Such an absorbing isotope can be 10 B, added to the water in the form of boric acid.
  • the adjustment of the boron concentration in the water of the primary circuit is carried out by a chemical and volumetric control circuit, usually designated by the acronym RCV.
  • the boron concentration can be increased or decreased by adding borated water (water containing boric acid) or demineralised water.
  • the RCV circuit is an auxiliary circuit of the primary circuit.
  • the boron concentration in the primary circuit is an important parameter for controlling nuclear reactors.
  • devices for measuring the boron concentration called “boremeters”, are used. These devices are based on the absorption of neutrons by boron.
  • a neutron source irradiates a pipe, usually at the RCV circuit.
  • a neutron detector is placed close to the pipe. The detector is positioned so as to be exposed to neutrons emitted by the source, and having passed through the pipe before interacting in the detector. The higher the concentration of boron in the primary circuit, the greater the absorption of neutrons in the primary circuit, and the lower the quantity of neutrons detected by the detector.
  • a layer of a moderating material extends between the detector and the pipe. This is called a moderating layer.
  • This thermalizes the neutrons before they are detected by the detector.
  • thermalizing we mean slowing down the neutrons, so that their energy reaches an energy range corresponding to thermal neutrons: typically less than 1 eV, for example a few tens or hundreds of meV (millielectronvolts), for example 25.3 meV at room temperature. It is in fact in such an energy range that the usual neutron detectors, for example proportional counters, are the most effective.
  • the neutron measurement resulting from the neutron detector
  • a temperature measurement so as to perform a readjustment of the calibration function.
  • Such a solution is for example described in US3898467.
  • such a compensation of the effect of the temperature entails uncertainties, in particular on the representativeness of the measured temperature. And this all the more so since the temperature is not homogeneous: it is generally high in the vicinity of the pipe, then decreases as one moves away from it, according to a temperature gradient.
  • the inventors propose a device and a method allowing an estimation of a boron concentration in a fluid, without requiring a measurement independent of the temperature as well as a compensation of the calibration function.
  • the invention makes it possible to take into account the temperature of the fluid, but also a possible variation in temperature in the moderating layer, between the fluid and at least one neutron detector.
  • the temperature variation in the moderating layer appears in particular when the latter is solid.
  • a first object of the invention is a method for determining a concentration of an isotope in a fluid, the isotope being capable of absorbing neutrons, the method comprising: a) arrangement of several neutron detectors respectively at different distances of the fluid, the detectors forming a group of detectors; b) irradiation of the fluid by a source emitting neutrons, the source emitting neutrons being arranged so that neutrons emitted by the source pass through the fluid before reaching the detectors; c) measurement, by each detector of the group of detectors, of a quantity representative of a quantity of neutrons reaching the detector; d) from the measurements resulting from c), estimation of a concentration of the isotope in the fluid; the method being characterized in that step d) comprises
  • the calibration database comprising an estimate of the quantity measured by each detector
  • the fluid may be water.
  • step c) comprises a constitution of a measurement set, comprising the quantities measured by each detector, the size of the measurement set corresponding to the number of detectors in the group of detectors;
  • step di) comprises, for the or each isotope concentration, and for each temperature distribution, a formation of a calibration set, comprising estimates of quantities measured by each detector, the size of each calibration set corresponding to the number of detectors of the group of detectors, each calibration set being associated with a concentration of the isotope and with a spatial distribution of temperature across the group of detectors;
  • step dii) comprises an implementation of an optimization algorithm, so as to select, among the different calibration sets, the calibration set closest to the measurement set, the concentration of estimated isotope corresponding to the isotope concentration associated with the selected calibration set.
  • step di) the calibration sets can be formed for different temperatures of the fluid, such that each estimation set is associated with a temperature of the fluid.
  • the group of detectors is placed in an external medium, such as air, at an external temperature; - in step di) the calibration sets are formed for different outside temperatures, such that each calibration set is associated with an outside temperature.
  • the fluid can extend into a pipe, the detectors being arranged around the pipe. According to one possibility:
  • step di) the calibration assemblies are formed for different fluid flow rates in the pipe, such that each calibration assembly is associated with a fluid flow rate.
  • the quantity measured by each detector can be any quantity measured by each detector.
  • a layer of a moderator material can be interposed between each detector and the fluid, the thickness of the layer being different for each detector.
  • the layer of moderator material can be divided into elementary layers, each detector extending in an elementary layer, the spatial temperature distribution corresponding to a temperature of each elementary layer.
  • the isotope can be 10 B or 6 Li.
  • a second object of the invention is a device for estimating a concentration of an isotope in a fluid, the fluid extending in an enclosure, the isotope being capable of absorbing neutrons, the device comprising:
  • the neutron source being arranged so that some of the neutrons emitted by the source pass through the fluid before reaching the detectors;
  • a processing unit connected to the detectors, and configured to implement step d) of the method according to the first object of the invention from measurements, carried out by each detector of the group of detectors, of a representative quantity of a quantity of neutrons reaching the detector.
  • a layer of a moderating material extends around each detector, such that the thickness of the layer, between the detector and the enclosure, is different for each detector.
  • the layer can be formed from different moderating materials.
  • FIG. 1A to 1D show an example of a device allowing an implementation of the invention.
  • Figure 2 shows a spectrum of neutrons thermalized by a moderator material brought to different temperatures.
  • FIG. 3 schematizes the main steps of a method according to the invention.
  • FIG. 4 shows another example of a device enabling the invention to be implemented.
  • Figures IA to 1D represent an example of a device 1 according to the invention.
  • the device 1 is arranged to be placed next to an enclosure 2 in which extends a heat transfer fluid 3.
  • the device 1 is intended to estimate a concentration of an isotope 4 in the heat transfer fluid 3.
  • the isotope 4 is a neutron-absorbing isotope.
  • the isotope is 10 B knowing that it can be another isotope, for example s Li.
  • the heat transfer fluid 3 is borated water (mixture of water and boric acid) and enclosure 2 is a borated water pipe.
  • the pipe extends along a longitudinal axis Z.
  • the fluid is contained in a tank.
  • the longitudinal axis Z is perpendicular to a radial plane, the latter being defined by a first radial axis X and a second radial axis Y.
  • the device comprises a neutron source 10.
  • This may be an isotopic source, comprising one or more isotopes, allowing the emission of neutrons.
  • the isotopic source is an Am/Be type source, whose neutron emission is based on an (a, n) type reaction.
  • Other types of sources, based on the same principle, are possible, for example 241 Am/Li or 244 Cm/Be.
  • the neutron source 10 can be a source of the spontaneous fission type, the most common isotopes being 252 Cf or 242 Cm.
  • the device 1 comprises three neutron detectors 20i, 20 2 , 2O 3 , forming a group of detectors 20.
  • the number of neutron detectors forming the group of detectors 20 is not limited to three. More generally, as described below, the device comprises a group of detectors 20 containing/detectors of neutrons 20i....20,...20i.
  • the number / of neutron detectors is preferably between 2 and 20.
  • the index i is an integer designating one row of each detector. In the example described, the higher the rank i, the further the detector is from the neutron source 10 and from the enclosure 2. In this example, the detectors are aligned along the second radial axis Y.
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view of the device, in a YZ plane passing through the center of the pipe 2.
  • the neutron detectors 20 are arranged at different distances from the neutron source 10 and/or at different distances from the chamber 2 containing the fluid.
  • Each neutron detector 20 extends at a distance d, from the enclosure 2, and at a distance n from the neutron source 10.
  • the distances d, or n can for example be between 1 cm and 50 cm.
  • the distances di, aj and d3 respectively separating the first, second and third detectors from enclosure 2 are shown in FIG. 1B.
  • Each detector 20 i is configured to detect a quantity of neutrons TC, emitted by the neutron source 10, part of which has propagated through the borated water 3 before reaching the detector 20 i .
  • the quantity of TC neutrons, detected by each detector 20, depends on the concentration C of the absorbing isotope in the fluid 3. It is understood that the more the concentration C increases, the more the quantity of TC neutrons, detected by each detector 20, decreases .
  • the quantity of neutrons TC, detected by each detector 20, is usually expressed in the form of a counting rate, that is to say a number of neutrons detected per unit of time.
  • the counting rate depends directly on a quantity of incident neutrons fi at the detector, as well as on the energy of the incident neutrons at the detector.
  • the quantity of incident neutrons fi at the detector is expressed: in the form of a number of neutrons per unit of time (neutrons per second for example); or in the form of a fluence rate: number of neutrons per unit of time and area (neutrons per second and per cm 2 for example).
  • CT i ⁇ i ( ⁇ ⁇ ) (1)
  • each detector 20 is a boron deposit proportional counter. This type of counter is common. Under the effect of irradiation with a neutron flux, charged particles (a) are formed in the gas by capture (h,a). The a particles are detected by polarized electrodes. This results in a counting rate TC i . Boron deposition proportional counters have better detection efficiency when the neutron energy is low, typically in the thermal range, as mentioned in the prior art. In order to reduce the energy of the neutrons, a moderating layer 21 is interposed between each detector 20, and the enclosure 2.
  • the moderating layer is formed of a material that scatters the neutrons: it is a question of thermalizing the neutrons, it that is, to slow them down, so that their energy decreases.
  • the use of such a moderating layer is usual in the field of neutron detection.
  • the moderating layer may comprise a material exhibiting high neutron scattering, for example polyethylene. It can also be graphite or a composite material, formed by a superposition of moderating materials.
  • Each counter is connected to a processing unit 30, by a wired or wireless link.
  • the processing unit 30 may include a microprocessor.
  • the processing unit 30 is programmed to implement an estimation of a concentration of 10 B in the fluid 3 from counting rates TC, respectively measured by each detector 20 ,.
  • the processing unit comprises a memory 32, in which are stored instructions making it possible to estimate the quantity of 10 B in the fluid.
  • FIGS. 1C and 1D represent respectively a section of device 1 in an XZ plane passing through neutron source 10, and a section of device 1 in a radial plane XY passing through the source and each detector.
  • the distances r 1 , r 2 and r 3 respectively separating the first, second and third detectors from the source 10 are shown in FIG. 1D.
  • Figure 2 shows spectra of neutrons, thermalized by a moderator material (eg water or polyethylene or graphite), for different temperatures.
  • a moderator material eg water or polyethylene or graphite
  • the abscissa axis is the energy (meV - millielectronvolts) and the ordinate axis is a neutron flux normalized by a neutron density (unit ms -1 .ev -1 ).
  • Figure 2 is obtained by applying the following analytical expression:
  • ⁇ (E) is a flux of neutrons at an energy E (.cm -2 .J - 1 .s -1 ); n 0 is a density of neutrons in cm -3 ; k is the Boltzmann constant (J. K -1 ); m is the mass of a neutron (kg);
  • the capture cross section of a moderator material varies according to the energy: when the energy increases, the capture cross section decreases.
  • Table 1 shows, for different temperatures, and energies close to 25 meV, the respective neutron capture cross sections of:
  • the energies at which the cross sections (unit millibarns) are calculated correspond to the maximum value of the spectra represented in FIG. 2, for the temperatures of 20°C, 38°C and 56°C.
  • Table 1 shows a lowering of the capture cross section for each energy corresponding to the maximum value.
  • the invention makes it possible to address the question of the sensitivity of the measurements to temperature, without requiring the use of one or more temperature sensors.
  • the invention also takes into account the fact that the temperature can vary between the borated water 3 and the various detectors 20 i . As previously indicated, the temperature is maximum at the level of pipe 2, and decreases as one moves away from the latter.
  • a source of uncertainty is the fact that the temperature within the moderating layer is generally not homogeneous: a decreasing temperature gradient, more or less marked, may exist between the pipe 2 and the various detectors 20 i . A measurement of this gradient by temperature sensors distributed in the moderating cover is difficult to envisage.
  • FIG. 3 represents the main steps of a method for determining a concentration of 10 B by implementing a device as previously described.
  • the method assumes a preliminary calibration phase, which corresponds to step 90.
  • the objective of the calibration is to estimate, for each detector 20 i of the group of detectors 20, a quantity representative of a quantity of neutrons reaching the detector, and this under different conditions.
  • the estimated quantity is a counting rate TC i measured by each detector (number of neutrons detected per second).
  • the estimated magnitude is a number of neutrons N i incident to the detector per unit time or a number of neutrons ⁇ i incident to the detector per unit time and area (fluence rate).
  • the relationship between the counting rate TC i and the number of neutrons incident on the detectors per unit time depends on the efficiency e, of the detector 20 i .
  • the estimation of the counting rate TC i for each detector 20 i is carried out using a computer code modeling the transport of neutrons. It may for example be the calculation code MCNP6, based on a Monte Carlo type method. During the calibration phase, simulations are carried out taking into account: a predetermined concentration of 10 B, and different spatial distributions of effective absorption and scattering sections between the pipe 2 and the detectors 20 i .
  • Each spatial distribution of absorption cross sections corresponds to a spatial distribution of temperature.
  • the fact of considering different spatial distributions of effective absorption sections makes it possible to simulate the response of the device for different temperature distributions between the pipe 2 and the detectors 20 i .
  • the moderating layer 21 is virtually divided into several elementary layers 21 j .
  • the index j is an integer representing the rank of each layer.
  • the calibration phase consists in estimating the counting rates TC i measured by each detector for different sets of input parameters.
  • Each set of input parameters includes: a concentration of boron in the fluid; an absorption cross section in the fluid, which corresponds to a temperature of the fluid T; a spatial distribution of effective absorption sections for the various elementary layers 21 j as well as in the various detectors 20 i , which is representative of a spatial distribution of the temperature between the pipe and the various detectors.
  • Each modeling leads to a set of modeled quantities, which are, in this example, the estimates of the counting rates TC i resulting from each detector 20 i .
  • each modeling generates a set of I counting rates of each detector 20;.
  • Each modeled set is associated with the modeling parameters, which are: the concentration C k of boron in the fluid, the index k designating each modeled concentration.
  • the temperature T l of the water the subscript l designating each modeled concentration.
  • At each temperature corresponds one or more cross sections ⁇ l,p of elements absorbents present in the water, in this case 1 H and 10 B.
  • the index p designates each absorbent element considered in the water.
  • the subscript m denotes each modeled spatial temperature distribution.
  • ⁇ jq corresponds to an effective section of each absorbent material in the layer 21 j . It can for example be 1 H (present in the polyethylene) and 10 B (present in the detectors).
  • the index q denotes each absorbent material considered in an elementary layer.
  • the calibration step 90 can be summarized as follows:
  • Sub-step 91 determination of input data: concentration of boron C k , temperature of the fluid T l , spatial distribution of the temperature ⁇ m .
  • Sub-step 92 determination: o of the cross sections ⁇ lp of each absorbent material p in water at the temperature of the water in question. o a spatial distribution of cross sections ⁇ mq of each scattering material of each elementary layer 21 j , for each temperature considered of each elementary layer.
  • Sub-step 93 Estimation of count rates at the level of each detector, corresponding to the modeling data taken into account.
  • sub-step 93 aims to estimate a quantity representative of a quantity of neutrons reaching each detector 20 i .
  • it may be the counting rate TC t , or a number of incident neutrons per unit of time or a number of incident neutrons per unit of time and area.
  • the sub-steps 91 to 93 are implemented at least for different spatial distributions ⁇ m and possibly for different water temperatures T l -
  • the sub-steps 91 to 93 can be implemented works for different concentrations C k of boron. If K, L and M correspond respectively to the numbers of concentrations C k , temperatures Ti and temperature distributions ⁇ m considered, the calibration phase provides K x L x M sets of counting rates also referred to as sets of calibration. Calibration sets are stored in the memory 32 connected to processing unit 30.
  • the calibration sets result from neutron transport modeling for discrete values of C k , T l and ⁇ m . It is possible to complete the calibration with counting rates resulting from interpolations, for example between two different water temperatures T l and T l+1 . To perform the interpolations, it will be possible to use a nuclear data processing code, for example the NJOY code developed by Los Alamos National Laboratory.
  • the database resulting from the calibration comprises modeled calibration sets and possibly calibration sets interpolated from modeled calibration sets.
  • the database can be established experimentally, for example on a model, taking into account different water temperatures, different boron concentrations, different spatial distributions of temperature between different detectors as well as different temperatures. exterior.
  • outside temperature is meant a temperature of the air, outside the measurement system formed by the various detectors and the moderating layer. Indeed, the temperature of the moderating layer, and the temperature gradient through the moderating layer, depend on the temperature of the water as well as the temperature of the air in which the measuring system extends.
  • the outside temperature air temperature
  • air temperature can then constitute an additional parameter to be taken into account in the database.
  • the outside temperature can be adjusted by regulating the temperature of the air around the model.
  • the water temperature can be regulated by a thermostat and a water heating system.
  • Step 100 irradiation
  • Step 110 measurement, by each detector, of a quantity representative of a quantity of neutrons reaching the detector. In this example, it is the counting rate TC i .
  • Step 120 formation of a set of counting rates respectively measured by each detector 20; of the detector group 20. A measured set is thus formed
  • Step 130 taking into account the database resulting from the calibration to determine the calibration set closest to the measured set
  • the average deviation can for example be a sum of the absolute values of the differences between counting rates respectively measured and calibrated for the same detector:
  • the closest calibration set to the measured set is the minimizing one.
  • Step 140 estimation of the boron concentration: the estimated boron concentration ⁇ corresponds to the concentration C k of the calibration set considered, during phase 130, as the closest to the measured set ⁇ TC 1 ... TC i ... TC I ⁇ .
  • the method also allows an estimation of the temperature of the water, as well as an estimation of the spatial distribution of temperature 6 between the different detectors, with
  • Step 130 can be implemented using an optimization algorithm, for example an ML-EM (Maximum-Likelihood Expectation Maximization) method.
  • ML-EM Maximum-Likelihood Expectation Maximization
  • An important aspect of the invention is that the temperature, whether it is the temperature of the water or of the different elementary layers 21 j , does not constitute input data, allowing an estimation of the concentration sought. This is output data.
  • each calibration assembly is associated with a flow rate Q of the water and/or with the outside temperature mentioned above.
  • the calibration phase is preferably experimental, being carried out on a model.
  • the database comprises, in addition to the parameters C k , T l , ⁇ m , a parameter T′ n (air temperature) and/or a parameter Q o (water flow rate).
  • the database can be established by modeling, by coupling a particle transport code like MCNP with a thermohydraulics code.
  • the parameter ⁇ m comprises 4 different spatial temperature distributions, each spatial distribution comprising a temperature assigned to each elementary layer 21 i , 21 2 and 21 3 respectively.
  • Table 2 shows a ratio between calibration counting rates resulting from modeling, taking into account different configurations. Each value corresponds to a ratio of counting rates, measured by the same detector, respectively in a configuration, and in a reference configuration. The inventors have modelled, for each configuration, the reaction numbers (n, ⁇ ) per neutron emitted by the source. The count rate, in each configuration, is proportional to this number.
  • Configuration 1 Temperature gradient taken into account: 350 K, 350 K, 350 K;
  • Configuration 2 Temperature gradient taken into account: 350 K, 350 K, 293 K;
  • Configuration 3 Temperature gradient taken into account: 350 K, 293 K, 293 K;
  • Configuration 4 Temperature gradient taken into account: 293 K, 293 K, 293 K. The configuration
  • Each row of the table corresponds to a concentration value C k .
  • Each column of the table is assigned to a detector among the three modeled detectors.
  • Table 2 shows that the counting rate, compared to the reference configuration, varies differently, between the different detectors, depending on the configuration chosen.
  • the evolution, as a function of the detectors, of the counting rate constitutes a signature of the temperature distribution ⁇ m and of the concentration C k .
  • FIG. 4 shows another example of the device, comprising 13 detectors 20 i distributed around a pipe 2.
  • the detectors are distributed in a spiral.
  • each calibration set and each measurement set constitutes a 13-tuple comprising 13 counting rates.
  • each calibration set and each measurement set includes values corresponding to a quantity of neutrons not detected, but incident to each detector. It may for example be a number of neutrons per unit of time (number of neutrons per second) or a number of neutrons per unit of time and area (number of neutrons per second and per cm 2 ).
  • the invention allows an estimation of a concentration of a neutron-absorbing isotope without requiring a measurement of the temperature, whether it is the temperature of the water or the temperature at the level of each neutron detector. Taking the temperature into account is implicit, insofar as it results from a confrontation between the calibration sets, forming the calibration database, and the measurement set. Thereby, the invention avoids having to resort to compensation functions, taking the temperature into account.
  • the determination of the concentration is more precise, because it is determined by taking into account, in the modeled data, the temperature of the fluid, but also the spatial distribution of temperature between the various detectors.
  • the invention can be used to quantify the concentration of other neutron absorbers, for example 6 Li.
  • the invention can be applied to other types of neutron detectors, in particular detectors sensitive to neutrons having been slowed down by a moderating layer: thermal, epithermal or intermediate neutrons.

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Abstract

Procédé de détermination d'une concentration d'un isotope (4) dans un fluide (3), l'isotope étant apte à absorber des neutrons, comportant : a) disposition de plusieurs détecteurs de neutrons (20i) à différentes distances du fluide; b) irradiation du fluide par une source émettrice de neutrons (10), disposée de façon que des neutrons émis traversent le fluide avant d'atteindre les détecteurs; c) mesure, par chaque détecteur, d'une grandeur représentative d'une quantité de neutrons atteignant le détecteur ({TC1...TCi...TCI}, ); d) à partir des mesures résultant de c), estimation d'une concentration de l'isotope dans le fluide; l'étape d) comportant ‐ di) prise en compte d'une base de données, comportant une estimation de la grandeur mesurée par chaque détecteur (Formula I) - dii) à partir de la base de données, et des mesures résultant de c), estimation de la concentration (Ĉ) de l'isotope dans le fluide.

Description

Description
Titre : Dispositif et procédé de mesure d'un absorbant neutronique dans un fluide
DOMAINE TECHNIQUE Le domaine technique de l'invention est la mesure d'un absorbant neutronique dans un fluide, une application visée étant la détermination de la concentration de bore (ou autre isotope absorbant) dans l'eau du circuit primaire d'un réacteur nucléaire.
ART ANTERIEUR
Dans un réacteur nucléaire, refroidi par eau, la réactivité doit être contrôlée afin de prévenir la survenue d'une situation de criticité. La réactivité, dans le circuit primaire, est ajustée par l'adjonction d'un isotope présentant une importante absorption neutronique. Un tel isotope absorbant peut être 10B, ajouté dans l'eau sous la forme d'acide borique.
Dans les réacteurs à eau pressurisée, l'ajustement de la concentration de bore dans l'eau du circuit primaire est effectuée par un circuit de contrôle chimique et volumétrique, usuellement désigné par l'acronyme RCV. La concentration de bore peut être augmentée ou diminuée par l'ajout d'eau borée (eau comportant de l'acide borique) ou de l'eau déminéralisée. Le circuit RCV est un circuit auxiliaire du circuit primaire.
La concentration de bore dans le circuit primaire est un paramètre important de pilotage de réacteurs nucléaires. A cette fin, des dispositifs de mesure de la concentration de bore, désignés « boremètres», sont utilisés. Ces dispositifs sont basés sur l'absorption de neutrons par le bore.
Une source de neutrons irradie une conduite, généralement au niveau du circuit RCV. Un détecteur de neutrons est disposé à proximité de la conduite. Le détecteur est positionné de façon à être exposé à des neutrons émis par la source, et ayant traversé la conduite avant d'interagir dans le détecteur. Plus la concentration de bore dans le circuit primaire est élevée, plus l'absorption des neutrons dans le circuit primaire est importante, et plus la quantité de neutrons détectés par le détecteur est faible.
Généralement, une couche d'un matériau modérateur s'étend entre le détecteur et la conduite. On parle de couche modératrice. Cela permet de thermaliser les neutrons avant leur détection par le détecteur. Par thermaliser, on entend ralentir les neutrons, de façon que leur énergie atteigne une plage d'énergie correspondant à des neutrons thermiques : typiquement inférieur à 1 eV, par exemple quelques dizaines ou centaines de meV (milliélectronvolts), par exemple 25,3 meV à température ambiante. C'est en effet dans une telle plage d'énergie que les détecteurs neutroniques usuels, par exemple les compteurs proportionnels, sont les plus efficaces.
A partir de la quantité de neutrons détectés par un détecteur, on peut estimer la concentration de bore dans le circuit primaire, en utilisant une fonction de calibration. Cependant, la fonction de calibration varie en fonction de la température. En effet, la section efficace d'absorption des neutrons, dans l'eau du circuit primaire, comme dans la couche modératrice ou dans le détecteur, varie en fonction de la température.
Pour adresser ce problème, la mesure neutronique, résultant du détecteur de neutrons, peut être couplée à une mesure de température, de façon à effectuer un recalage de la fonction de calibration. Une telle solution est par exemple décrite dans US3898467. Cependant, une telle compensation de l'effet de la température entraîne des incertitudes, en particulier sur la représentativité de la température mesurée. Et cela d'autant plus que la température n'est pas homogène : elle est généralement élevée au voisinage de la conduite, puis décroît au fur et à mesure qu'on s'en éloigne, selon un gradient de température.
Les inventeurs proposent un dispositif et un procédé permettant une estimation d'une concentration de bore dans un fluide, sans nécessiter une mesure indépendante de la température ainsi qu'une compensation de la fonction de calibration. L'invention permet de prendre en compte la température du fluide, mais également une variation éventuelle de température dans la couche modératrice, entre le fluide et au moins un détecteur de neutrons. La variation de température dans la couche modératrice apparaît notamment lorsque cette dernière est solide.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un premier objet de l'invention est un procédé de détermination d'une concentration d'un isotope dans un fluide, l'isotope étant apte à absorber des neutrons, le procédé comportant : a) disposition de plusieurs détecteurs de neutrons respectivement à différentes distances du fluide, les détecteurs formant un groupe de détecteurs ; b) irradiation du fluide par une source émettrice de neutrons, la source émettrice de neutrons étant disposée de façon que des neutrons émis par la source traversent le fluide avant d'atteindre les détecteurs ; c) mesure, par chaque détecteur du groupe de détecteurs, d'une grandeur représentative d'une quantité de neutrons atteignant le détecteur ; d) à partir des mesures résultant de c), estimation d'une concentration de l'isotope dans le fluide ; le procédé étant caractérisé en ce que l'étape d) comporte
- di) prise en compte d'une base de données de calibration, la base de données de calibration comportant une estimation de la grandeur mesurée par chaque détecteur,
• pour au moins une concentration de l'isotope dans le fluide ;
• et pour différentes distributions spatiales de température à travers le groupe de détecteurs ;
- dii) à partir de la base de données de calibration, et des mesures résultant de c), estimation de la concentration de l'isotope dans le fluide.
Le fluide peut être de l'eau.
Selon un mode de réalisation :
- l'étape c) comporte une constitution d'un ensemble de mesure, comportant les grandeurs mesurées par chaque détecteur, la taille de l'ensemble de mesure correspondant au nombre de détecteurs dans le groupe de détecteurs ;
- l'étape di) comporte, pour la ou chaque concentration d'isotope, et pour chaque répartition de température, une formation d'un ensemble de calibration, comportant des estimations de grandeurs mesurées par chaque détecteur, la taille de chaque ensemble de calibration correspondant au nombre de détecteurs du groupe de détecteurs, chaque ensemble de calibration étant associé à une concentration de l'isotope et à une distribution spatiale de température à travers le groupe de détecteurs ;
- l'étape dii) comporte une mise en oeuvre d'un algorithme d'optimisation, de façon à sélectionner, parmi les différents ensembles de calibration, l'ensemble de calibration le plus proche de l'ensemble de mesure, la concentration d'isotope estimée correspondant à la concentration d'isotope associée à l'ensemble de calibration sélectionné.
Dans l'étape di) les ensembles de calibration peuvent être formés pour différentes températures du fluide, de telle sorte que chaque ensemble d'estimation est associé à une température du fluide.
Selon un mode de réalisation :
- le groupe de détecteurs est disposé dans un milieu extérieur, tel de l'air, à une température extérieure ; - dans l'étape di) les ensembles de calibration sont formés pour différentes températures extérieures, de telle sorte que chaque ensemble de calibration est associé à une température extérieure.
Le fluide peut s'étendre dans une conduite, les détecteurs étant disposés autour de la conduite. Selon une possibilité :
- le fluide circule dans la conduite selon un débit;
- dans l'étape di) les ensembles de calibration sont formés pour différents débits de fluide dans la conduite, de telle sorte que chaque ensemble de calibration est associé à un débit du fluide.
La grandeur mesurée par chaque détecteur peut être
- un taux de comptage de neutrons détectés par le détecteur ;
- un nombre de neutrons incidents au détecteur par unité de temps et éventuellement par unité de surface.
Une couche d'un matériau modérateur peut être interposée entre chaque détecteur et le fluide, l'épaisseur de la couche étant différente pour chaque détecteur. La couche du matériau modérateur peut être divisée en couches élémentaires, chaque détecteur s'étendant dans une couche élémentaire, la distribution spatiale de température correspondant à une température de chaque couche élémentaire.
L'isotope peut être 10B ou 6Li.
Un deuxième objet de l'invention est un dispositif d'estimation d'une concentration d'un isotope dans un fluide, le fluide s'étendant dans une enceinte, l'isotope étant apte à absorber des neutrons, le dispositif comportant :
- une source émettrice de neutrons;
- plusieurs détecteurs de neutrons, agencés pour être disposés respectivement à différentes distances de l'enceinte, et formant un groupe de détecteurs;
- la source de neutrons étant disposée de façon qu'une partie des neutrons émis pas la source traversent le fluide avant d'atteindre les détecteurs ;
- une unité de traitement, reliée aux détecteurs, et configurée pour mettre en oeuvre l'étape d) du procédé selon le premier objet de l'invention à partir de mesures, effectuées par chaque détecteur du groupe de détecteurs, d'une grandeur représentative d'une quantité de neutrons atteignant le détecteur. Selon un mode de réalisation, une couche d'un matériau modérateur s'étend autour de chaque détecteur, de sorte que l'épaisseur de la couche, entre le détecteur et l'enceinte, est différente pour chaque détecteur. La couche peut être formée de différents matériaux modérateurs. L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.
FIGURES
La figure IA à 1D montrent un exemple de dispositif permettant une mise en oeuvre de l'invention.
La figure 2 montre un spectre de neutrons thermalisés par un matériau modérateur porté à différentes températures.
La figure 3 schématise les principales étapes d'un procédé selon l'invention.
La figure 4 montre un autre exemple de dispositif permettant une mise en oeuvre de l'invention.
EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Les figures IA à 1D représentent un exemple d'un dispositif 1 selon l'invention. Le dispositif 1 est agencé pour être disposé à côté d'une enceinte 2 dans laquelle s'étend un fluide caloporteur 3. Le dispositif 1 est destiné à estimer une concentration d'un isotope 4 dans le fluide caloporteur 3. L'isotope 4 est un isotope absorbeur de neutrons. Dans cet exemple, l'isotope est 10B sachant qu'il peut s'agir d'un autre isotope, par exemple sLi. Dans cet exemple, le fluide caloporteur 3 est de l'eau borée (mélange eau et acide borique) et l'enceinte 2 est une conduite d'eau borée. La conduite s'étend selon un axe longitudinal Z. Dans d'autres applications, le fluide est contenu dans une cuve. L'axe longitudinal Z est perpendiculaire à un plan radial, ce dernier étant défini par un premier axe radial X et un deuxième axe radial Y.
Le dispositif comporte une source de neutrons 10. Il peut s'agir d'une source isotopique, comportant un ou plusieurs isotopes, permettant l'émission de neutrons. Dans cet exemple, la source isotopique est une source de type Am/Be, dont l'émission neutronique est basée sur une réaction de type (a, n). D'autres types de sources, basées sur le même principe, sont envisageables, par exemple 241Am/Li ou 244Cm/Be. La source de neutrons 10 peut être une source de type fission spontanée, les isotopes les plus courants étant 252Cf ou 242Cm.
Le dispositif 1 comporte trois détecteurs de neutrons 20i, 202, 2O3, formant un groupe de détecteurs 20. Le nombre de détecteurs de neutrons formant le groupe de détecteurs 20 n'est pas limité à trois. D'une façon plus générale, comme décrit par la suite, le dispositif comporte un groupe de détecteurs 20 contenant / détecteurs de neutrons 20i....20,...20i. Le nombre / de détecteurs de neutrons est de préférence compris entre 2 et 20. L'indice i est un entier désignant un rang de chaque détecteur. Dans l'exemple décrit, plus le rang i est élevé, plus le détecteur est éloigné de la source de neutrons 10 et de l'enceinte 2. Dans cet exemple, les détecteurs sont alignés selon le deuxième axe radial Y.
La figure IB montre une vue en coupe du dispositif, dans un plan YZ passant par le centre de la conduite 2. Les détecteurs de neutrons 20, sont disposés à différentes distances de la source de neutrons 10 et/ou à différentes distances de l'enceinte 2 contenant le fluide. Chaque détecteur de neutrons 20, s'étend à une distance d, de l'enceinte 2, et à une distance n de la source de neutrons 10. Les distances d, ou n peuvent être par exemple comprise entre 1 cm et 50 cm. Les distances di, àj et d3, séparant respectivement les premier, deuxième et troisième détecteurs de l'enceinte 2 sont représentées sur la figure IB.
Chaque détecteur 20, est configuré pour détecter une quantité de neutrons TC, émis par la source de neutrons 10, dont une partie s'est propagée à travers l'eau borée 3 avant d'atteindre le détecteur 20,. La quantité de neutrons TC, détectée par chaque détecteur 20, dépend de la concentration C de l'isotope absorbant dans le fluide 3. On comprend que plus la concentration C augmente, plus la quantité de neutrons TC, détectée par chaque détecteur 20, diminue.
La quantité de neutrons TC, détectée par chaque détecteur 20, est usuellement exprimée sous la forme d'un taux de comptage, c'est-à-dire un nombre de neutrons détectés par unité de temps. Le taux de comptage dépend directement d'une quantité de neutrons fi incidents au détecteur, ainsi que de l'énergie des neutrons incidents au détecteur. La quantité de neutrons fi incidents au détecteur est exprimée : sous la forme d'un nombre de neutrons par unité de temps (neutrons par seconde par exemple) ; ou sous la forme d'un débit de fluence : nombre de neutrons par unité de temps et de surface (neutrons par seconde et par cm2 par exemple).
Le lien entre la quantité de neutrons incidents fi et la quantité de neutrons détectée TC,, correspond à une efficacité de détection £t du détecteur 20, :
TCi = εi(Φί) (1)
Dans cet exemple, chaque détecteur 20, est un compteur proportionnel à dépôt de bore. Ce type de compteur est usuel. Sous l'effet d'une irradiation à un flux neutronique, des particules chargées (a) sont formées dans le gaz par capture (h,a). Les particules a sont détectées par des électrodes polarisées. Il en résulte un taux de comptage TCi. Les compteurs proportionnels à dépôt de bore présentent une meilleure efficacité de détection lorsque l'énergie des neutrons est faible, typiquement dans le domaine thermique, comme mentionné dans l'art antérieur. Afin de diminuer l'énergie des neutrons, une couche modératrice 21 est interposée entre chaque détecteur 20, et l'enceinte 2. La couche modératrice est formée d'un matériau diffusant les neutrons : il s'agit de thermaliser les neutrons, c'est-à- dire à les ralentir, de façon que leur énergie diminue. Le recours à une telle couche modératrice est usuel dans le domaine de la détection neutronique. La couche modératrice peut comporter un matériau présentant une diffusion élevée des neutrons, par exemple le polyéthylène. Il peut également s'agir de graphite ou d'un matériau composite, formé d'une superposition de matériaux modérateurs.
Chaque compteur est relié à une unité de traitement 30, par une liaison filaire ou sans fil. L'unité de traitement 30 peut comporter un microprocesseur. L'unité de traitement 30 est programmée pour mettre en oeuvre une estimation d'une concentration de 10B dans le fluide 3 à partir de taux de comptage TC, respectivement mesurés par chaque détecteur 20,. L'unité de traitement comporte une mémoire 32, dans laquelle sont stockées des instructions permettant d'estimer la quantité de 10B dans le fluide.
Les figures IC et 1D représentent respectivement une coupe du dispositif 1 dans un plan XZ passant par la source de neutrons 10, et une coupe du dispositif 1 dans un plan radial XY passant par la source et chaque détecteur. Les distances r1, r2 et r3, séparant respectivement les premier, deuxième et troisième détecteurs de la source 10 sont représentées sur la figure 1D.
La figure 2 montre des spectres de neutrons, thermalisés par un matériau modérateur (par exemple eau ou polyéthylène ou graphite), pour différentes températures. Sur la figure 2, l'axe des abscisses est l'énergie (meV - milliélectronvolts) et l'axe des ordonnées est un flux de neutrons normalisé par une densité de neutrons (unité m.s-1.ev-1). La figure 2 est obtenue par application de l'expression analytique suivante :
Φ (E) est un flux de neutrons à une énergie E (.cm -2.J- 1.s -1) ; n0 est une densité de neutrons en cm-3; k est la constante de Boltzmann (J. K-1); m est la masse d'un neutron (kg);
E est l'énergie (J); T est la température (K).
Sur la figure 2, on a représenté la courbe pour les températures suivantes : 20°C, 38°C, 56°C,
77°C, 127°C.
On observe que plus la température augmente, plus la proportion relative de neutrons d'énergie élevée augmente également. Cela correspond à un durcissement du spectre d'énergie des neutrons.
Or, pour des neutrons thermiques, la section efficace de capture d'un matériau modérateur varie en fonction de l'énergie : lorsque l'énergie augmente, la section efficace de capture diminue. Le tableau 1 montre, pour différentes températures, et des énergies voisines de 25 meV, les sections efficaces de capture neutronique respectives de :
12C : réaction (h,g) ;
1H : réaction (h,g) ;
10B : réaction (h,a) ;
Les énergies auxquelles les sections efficaces (unité millibarns) sont calculées correspondent à la valeur maximale des spectres représentés sur la figure 2, pour les températures de 20°C, 38°C et 56 °C.
Tableau 1
Le tableau 1 montre un abaissement de la section efficace de capture pour chaque énergie correspondant à la valeur maximale. Ainsi, parce qu'elle engendre un durcissement du spectre, une augmentation de la température diminue la capacité d'absorption des neutrons de l'eau, de la couverture modératrice 21 (polyéthylène) et du matériau formant le détecteur proportionnel à dépôt de bore. Cela se traduit par une baisse d'efficacité du dispositif, au sens où la quantité de neutrons détectés diminue pour une même quantité de 10B dans l'eau.
Le même constat peut être dressé lorsqu'on utilise d'autres types de détecteurs sensibles aux neutrons thermiques ou épithermiques, par exemple une chambre à fission (le matériau absorbant est alors 235U ou 239Pu) ou un compteur proportionnel à 3He. L'invention permet d'adresser la question de la sensibilité des mesures à la température, sans nécessiter le recours à un ou plusieurs capteurs de température. L'invention prend également en compte le fait que la température peut varier entre l'eau borée 3 et des différents détecteurs 20i. Comme précédemment indiqué, la température est maximale au niveau de la conduite 2, et diminue au fur et à mesure que l'on s'éloigne de cette dernière. Une source d'incertitude est le fait que la température au sein de la couche modératrice n'est généralement pas homogène : un gradient de température décroissant, plus ou moins marqué, peut exister entre la conduite 2 et les différents détecteurs 20i. Une mesure de ce gradient par des capteurs de température répartis dans la couverture modératrice est difficilement envisageable.
La figure 3 représente les principales étapes d'un procédé de détermination d'une concentration de 10B en mettant en oeuvre un dispositif tel que précédemment décrit.
Le procédé suppose une phase préalable de calibration, qui correspond à l'étape 90. L'objectif de la calibration est d'estimer, pour chaque détecteur 20i du groupe de détecteurs 20, une grandeur représentative d'une quantité de neutrons atteignant le détecteur, et cela dans différentes conditions. La grandeur estimée est un taux de comptage TCi mesuré par chaque détecteur (nombre de neutrons détectés par seconde). Selon une autre possibilité, la grandeur estimée est un nombre de neutrons Ni incidents au détecteur par unité de temps ou un nombre de neutrons Φi incidents au détecteur par unité de temps et de surface (débit de fluence). La relation entre le taux de comptage TCi et les nombre de neutrons incidents au détecteurs par unité de temps (Ni ou Φi) dépend de l'efficacité e, du détecteur 20i.
L'estimation du taux de comptage TCi pour chaque détecteur 20i est réalisée en utilisant un code de calcul modélisant le transport de neutrons. Il peut par exemple s'agir du code de calcul MCNP6, reposant sur une méthode de type Monte Carlo. Au cours de la phase de calibration, on effectue des simulations en prenant en compte : une concentration de 10B prédéterminée, et différentes distributions spatiales de sections efficaces d'absorption et de diffusion entre la conduite 2 et les détecteur 20i.
Chaque distribution spatiale de sections efficace d'absorption correspond à une distribution spatiale de la température. Le fait de considérer différentes distributions spatiales de sections efficaces d'absorption permet de simuler la réponse du dispositif pour différentes distributions de température entre la conduite 2 et les détecteurs 20i. A cette fin, la couche modératrice 21 est virtuellement divisée en plusieurs couches élémentaires 21j. L'indice j est un entier représentant le rang de chaque couche. Sur les figures
1A à 1D, on a représenté trois couches élémentaires 211, 212, 213, chaque couche s'étendant de part et d'autre d'un détecteur. Autrement dit, dans cet exemple i = j. Dans d'autres configurations, le nombre J de couches élémentaires considérées peut être inférieur ou supérieur au nombre I de détecteurs. J correspond à un pas de discrétisation du gradient de température.
La phase de calibration consiste à estimer les taux de comptage TCi mesurés par chaque détecteur pour différents ensembles de paramètres d'entrée. Chaque ensemble de paramètres d'entrée comporte : une concentration de bore dans le fluide ; une section efficace d'absorption dans le fluide, qui correspond à une température du fluide T ; une distribution spatiale de sections efficaces d'absorption pour les différentes couches élémentaires 21j ainsi que dans les différents détecteurs 20i, qui est représentative d'une distribution spatiale de la température entre la conduite et les différents détecteurs.
Plusieurs simulations sont effectuées en faisant varier : la concentration de bore dans le fluide pour une même concentration de bore, la distribution spatiale de la température entre les différents détecteurs.
On peut également faire varier, pour une même concentration de bore, la température de l'eau borée, en considérant une section efficace d'absorption (1H et 10B ) à chaque température.
Chaque modélisation aboutit à un ensemble de grandeurs modélisées, qui sont, dans cet exemple, les estimations des taux de comptage TCi résultant de chaque détecteur 20;. Ainsi, chaque modélisation génère un ensemble des I taux de comptage respectifs de chaque détecteur 20;. Chaque ensemble modélisé est associé aux paramètres de modélisation, qui sont : la concentration Ck de bore dans le fluide, l'indice k désignant chaque concentration modélisée . la température Tl de l'eau, l'indice l désignant chaque concentration modélisée. A chaque température correspond une ou plusieurs sections efficaces δl,p d'éléments absorbants présents dans l'eau, en l'occurrence 1H et 10B. L'indice p désigne chaque élément absorbant considéré dans l'eau. la distribution spatiale de température Θm dans chaque couche 21j. L'indice m désigne chaque distribution spatiale de température modélisée.
Par distribution spatiale de température, on entend une répartition de la température dans les différentes couches élémentaires 21j s'étendant entre la conduite 2 et les détecteurs 20i : Θm = {T1 ... Tj ... Tj}m . A partir d'une distribution spatiale de température Θm, on détermine une distribution spatiale de sections efficaces des matériaux diffusants q formant chaque couche élémentaire ou chaque détecteur présent dans la couche élémentaire. δj q correspond à une section efficace de chaque matériau absorbant dans la couche 21j. Il peut par exemple s'agir de 1H (présent dans le polyéthylène) et de 10B (présent dans les détecteurs). L'indice q désigne chaque matériau absorbant considéré dans une couche élémentaire.
L'étape de calibration 90 peut être résumée comme suit :
Sous-étape 91 : détermination de données d'entrée : concentration de bore Ck, température du fluide Tl, distribution spatiale de la température Θm.
Sous-étape 92 : détermination : o des sections efficaces σl p de chaque matériau absorbant p dans l'eau à la température de l'eau considérée. o d'une distribution spatiale de sections efficaces Σm q de chaque matériau diffusant de chaque couche élémentaire 21j, pour chaque température considérée de chaque couche élémentaire.
Sous-étape 93 : estimation des taux de comptage au niveau de chaque détecteur, correspondant aux données de modélisation prises en compte.
De façon plus générale, la sous-étape 93 vise à estimer une grandeur représentative d'une quantité de neutrons atteignant chaque détecteur 20,. Comme précédemment décrit, il peut s'agir du taux de comptage TCt, ou d'un nombre de neutrons incidents par unité de temps ou d'un nombre de neutrons incidents par unité de temps et de surface.
Pour une même concentration de bore Ck, les sous-étapes 91 à 93 sont mises en oeuvre au moins pour différentes distributions spatiales Θm et éventuellement pour différentes températures d'eau Tl- Les sous-étapes 91 à 93 peuvent être mises en oeuvre pour différentes concentrations Ck de bore. Si K, L et M correspondent respectivement aux nombres de concentrations Ck, températures Ti et distributions de température Θm considérées, la phase de calibration fournit K x L x M ensembles de taux de comptage également désignés ensembles de calibration. Les ensembles de calibration sont stockés dans la mémoire 32 reliée à l'unité de traitement 30.
Les ensembles de calibration résultent de modélisations du transport de neutrons pour des valeurs discrètes de Ck, Tl et Θm. Il est possible de compléter la calibration avec des taux de comptage résultant d'interpolations, par exemple entre deux températures de l'eau différentes Tl et Tl+1. Pour effectuer les interpolations, on pourra utiliser un code de traitement de données nucléaires, par exemple le code NJOY développé par Los Alamos National Laboratory. Ainsi, la base de données résultant de la calibration comporte des ensembles de calibration modélisés et éventuellement des ensembles de calibration interpolés à partir d'ensembles de calibration modélisés.
De façon complémentaire ou alternative, la base de données peut être établie expérimentalement, par exemple sur une maquette, en prenant en compte différentes températures de l'eau, différentes concentrations de bore, différentes distributions spatiales de la température entre différents détecteurs ainsi que différentes températures extérieures. Par température extérieure, on entend une température de l'air, à l'extérieur du système de mesure formé par les différents détecteurs et la couche modératrice. En effet, la température de la couche modératrice, et le gradient de température à travers la couche modératrice, dépendent de la température de l'eau ainsi de la température de l'air dans lequel s'étend le système de mesure. La température extérieure (température de l'air) peut alors constituer alors un paramètre supplémentaire à prendre en compte dans la base de données.
Lors de la calibration, sur maquette, la température extérieure peut être ajustée par une régulation de la température de l'air autour de la maquette. La température de l'eau peut être réglée par un thermostat et un système de chauffage de l'eau.
Suite à la calibration, les étapes 100 à 140, permettant une estimation de la concentration de 10B dans l'eau, sont mises en oeuvre.
Etape 100 : irradiation
Au cours de cette étape, la source de neutrons 10 émet des neutrons. Une partie des neutrons se propage à travers l'eau 3 avant d'atteindre le groupe de détecteurs 20. Etape 110 : mesure, par chaque détecteur, d'une grandeur représentative d'une quantité de neutrons atteignant le détecteur. Dans cet exemple, il s'agit du taux de comptage TCi.
Etape 120 : formation d'un ensemble des taux de comptage respectivement mesurés par chaque détecteur 20; du groupe de détecteur 20. On forme ainsi un ensemble mesuré
{TC1 ... TCi ... TCI}.
Etape 130 : prise en compte de la base de données résultant de la calibration pour déterminer l'ensemble de calibration le plus proche de l'ensemble mesuré
{TC1 ... TCi ... TCI}. On peut par exemple calculer un écart moyen entre l'ensemble mesuré {TC1 ... TCi ... TCI} et chaque ensemble de calibration .
L'écart moyen peut par exemple être une somme des valeurs absolues des différences entre taux de comptage respectivement mesurés et calibrés pour un même détecteur :
L'ensemble de calibration le plus proche de l'ensemble mesuré est celui minimisant .
Etape 140 : estimation de la concentration de bore : la concentration de bore Ĉ estimée correspond à la concentration Ck de l'ensemble de calibration considéré, lors de la phase 130, comme le plus proche de l'ensemble mesuré {TC1 ... TCi ... TCI}.
Bien que ce ne soit pas l'objectif recherché, le procédé permet également une estimation de la température de l'eau , ainsi qu'une estimation de la distribution spatiale de température 6 entre les différents détecteurs, avec
L'expression (4) permet l'estimation de Ĉ.
L'étape 130 peut être mise en œuvre à l'aide d'un algorithme d'optimisation, par exemple une méthode ML-EM (Maximum-Likelihood Expectation Maximisation - Algorithme espérance- maximisation).
Un aspect important de l'invention est que la température, qu'il s'agisse de la température de l'eau ou des différentes couches élémentaires 21j, ne constitue pas une donnée d'entrée, permettant une estimation de la concentration recherchée. Il s'agit d'une donnée de sortie.
L'algorithme d'optimisation détermine la température du fluide et la distribution spatiale de la température, entre les différents détecteurs, qui correspond le mieux aux mesures effectuées par les différents détecteurs. Avantageusement, au cours de la phase de calibration, chaque ensemble de calibration est associé à un débit Q de l'eau et/ou à la température extérieure précédemment évoquée. Dans ce cas, la phase de calibration est de préférence expérimentale, en étant effectuée sur une maquette. Plusieurs débits d'eau peuvent être considérés lors de la calibration, de même que plusieurs niveaux de température extérieure. Ainsi, la base de données comporte, outre les paramètres Ck, Tl, θm, un paramètre T'n (température de l'air) et/ou un paramètre Qo (débit de l'eau). La base de données peut être établie par modélisation, en couplant un code de transport de particules comme MCNP avec un code de thermohydraulique.
Les inventeurs ont modélisé le dispositif représenté sur les figures 1A à 1D de façon à obtenir différents ensembles de taux de comptage pour différents paramètres de modélisation. Ils ont pris en compte les paramètres de modélisation suivants :
- Ck ∈ {0 ppm ; 1800 ppm ; 2600 ppm} ;
- Tl ∈ {293 K ; 350 K} ;
Le paramètre θm comporte 4 distributions spatiales de température différentes, chaque distribution spatiale comportant une température assignée à chaque couche élémentaire 21i, 212 et 213 respectivement.
Le tableau 2 montre un ratio entre des taux de comptage de calibration résultant de modélisations, en prenant en compte différentes configurations. Chaque valeur correspond à un ratio de taux de comptage, mesurés par un même détecteur, respectivement dans une configuration, et dans une configuration de référence. Les inventeurs ont modélisé, pour chaque configuration, les nombres de réaction (n,α) par neutrons émis par la source. Le taux de comptage, dans chaque configuration, est proportionnel à ce nombre.
Les configurations sont les suivantes :
Configuration 1 : Gradient de température pris en compte : 350 K, 350 K, 350 K ;
Configuration 2 : Gradient de température pris en compte : 350 K, 350 K, 293 K ;
Configuration 3 : Gradient de température pris en compte : 350 K, 293 K, 293 K ;
Configuration 4 : Gradient de température pris en compte : 293 K, 293 K, 293 K. La configuration
4 a été considérée comme une configuration de référence.
Chaque ligne du tableau correspond à une valeur de concentration Ck. Chaque colonne du tableau est assignée à un détecteur parmi les trois détecteurs modélisés.
Tableau 2
Le tableau 2 montre que le taux de comptage, par rapport à la configuration de référence, varie différemment, entre les différents détecteurs, en fonction de la configuration retenue. L'évolution, en fonction des détecteurs, du taux de comptage constitue une signature de la distribution de température θm et de la concentration Ck .
La figure 4 montre un autre exemple du dispositif, comportant 13 détecteurs 20i répartis autour d'une conduite 2. Selon cet exemple, les détecteurs sont répartis selon une spirale. Dans une telle configuration, chaque ensemble de calibration et chaque ensemble de mesure constitue un 13-uplet comportant 13 taux de comptages.
Selon une variante de l'invention, chaque ensemble de calibration et chaque ensemble de mesure comporte des valeurs correspondant à une quantité de neutrons non pas détectés, mais incidents à chaque détecteur. Il peut par exemple s'agir d'un nombre de neutrons par unité de temps (nombre de neutrons par seconde) ou un nombre de neutrons par unité de temps et de surface (nombre de neutrons par seconde et par cm2).
L'invention permet une estimation d'une concentration d'un isotope absorbant des neutrons sans nécessiter une mesure de la température, qu'il s'agisse de la température de l'eau ou de la température au niveau de chaque détecteur de neutrons. La prise en compte de la température est implicite, dans la mesure où elle résulte d'une confrontation entre les ensembles de calibration, formant la base de données de calibration, et l'ensemble de mesure. Ainsi, l'invention évite le recours à des fonctions de compensation, prenant en compte la température. La détermination de la concentration est plus précise, car elle est déterminée en prenant en compte, dans les données modélisées, la température du fluide, mais aussi la distribution spatiale de température entre les différents détecteurs. Bien que décrite en lien avec 10B, l'invention pourra être utilisée pour quantifier la concentration d'autres absorbants neutroniques, par exemple 6Li. De plus, bien que décrite en lien avec des détecteurs de type compteurs proportionnels à dépôt de bore, l'invention peut être appliquée à d'autres types de détecteurs de neutrons, en particulier des détecteurs sensibles aux neutrons ayant été ralentis par une couche modératrice : neutrons thermiques, épithermiques ou intermédiaires.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination d'une concentration d'un isotope (4) dans un fluide (3), l'isotope étant apte à absorber des neutrons, le procédé comportant : a) disposition de plusieurs détecteurs de neutrons (20,) respectivement à différentes distances du fluide, les détecteurs formant un groupe de détecteurs (20) ; b) irradiation du fluide par une source émettrice de neutrons (10), la source émettrice de neutrons étant disposée de façon que des neutrons émis par la source traversent le fluide avant d'atteindre les détecteurs ; c) mesure, par chaque détecteur du groupe de détecteurs, d'une grandeur représentative d'une quantité de neutrons atteignant le détecteur ( {TC1 ... TCi ... TCI}, ); d) à partir des mesures résultant de c), estimation d'une concentration de l'isotope dans le fluide ; le procédé étant caractérisé en ce que l'étape d) comporte - di) prise en compte d'une base de données de calibration, la base de données de calibration comportant une estimation de la grandeur mesurée par chaque détecteur
• pour au moins une concentration de l'isotope (Ck) dans le fluide ;
• et pour différentes distributions spatiales de température (θm) à travers le groupe de détecteurs ;
- dii) à partir de la base de données de calibration, résultant de di) et des mesures résultant de c), estimation de la concentration (Ĉ) de l'isotope dans le fluide.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel :
- l'étape c) comporte une constitution d'un ensemble de mesure ( {TC1 ... TCi ... TCI}), comportant les grandeurs mesurées par chaque détecteur, la taille de l'ensemble de mesure correspondant au nombre de détecteurs dans le groupe de détecteurs ;
- l'étape di) comporte, pour la ou chaque concentration d'isotope, et pour chaque distribution spatiale de température, une formation d'un ensemble de calibration , comportant des estimations de grandeurs mesurées par chaque détecteur, la taille de chaque ensemble de calibration correspondant au nombre de détecteurs du groupe de détecteurs, chaque ensemble de calibration étant associé à une concentration de l'isotope et à une distribution spatiale de température à travers le groupe de détecteurs ;
- l'étape dii) comporte une mise en oeuvre d'un algorithme d'optimisation, de façon à sélectionner, parmi les différents ensembles de calibration, l'ensemble de calibration le plus proche de l'ensemble de mesure, la concentration d'isotope estimée correspondant à la concentration d'isotope associée à l'ensemble de calibration sélectionné.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel dans l'étape di) les ensembles de calibration sont formés pour différentes températures du fluide (Tl), de telle sorte que chaque ensemble de calibration est associé à une température du fluide.
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel
- le groupe de détecteurs est disposé dans un milieu extérieur, tel de l'air, à une température extérieure ;
- dans l'étape di) les ensembles de calibration sont formés pour différentes températures extérieures ( T'n ), de telle sorte que chaque ensemble de calibration est associé à une température extérieure.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le fluide s'étend dans une conduite (2), les détecteurs (20i) étant disposés autour de la conduite.
6. Procédé selon la revendication 4, dans lequel :
- le fluide circule dans la conduite selon un débit (Qo);
- dans l'étape di) les ensembles de calibration sont formés pour différents débits de fluide dans la conduite, de telle sorte que chaque ensemble de calibration est associé à un débit du fluide.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la grandeur mesurée par chaque détecteur est :
- un taux de comptage (TCi) de neutrons détectés par le détecteur ;
- un nombre de neutrons incidents (Ni, Φi) au détecteur par unité de temps et éventuellement par unité de surface.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une couche d'un matériau modérateur (21) est interposée entre chaque détecteur et le fluide, l'épaisseur de la couche (di) étant différente pour chaque détecteur.
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la couche du matériau modérateur (21) est divisée en couches élémentaires (21j), chaque détecteur (20i) s'étendant dans une couche élémentaire, la distribution spatiale de température correspondant à une température de chaque couche élémentaire.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'isotope est
10B ou 6Li.
11. Dispositif d'estimation (1) d'une concentration d'un isotope dans un fluide, le fluide s'étendant dans une enceinte, l'isotope étant apte à absorber des neutrons, le dispositif comportant : - une source émettrice de neutrons (10);
- plusieurs détecteurs de neutrons (20,), agencés pour être disposés respectivement à différentes distances de l'enceinte, et formant un groupe de détecteurs (20) ;
- la source de neutrons étant disposée de façon qu'une partie des neutrons émis pas la source traversent le fluide avant d'atteindre les détecteurs ; - une unité de traitement (30), reliée aux détecteurs, et configurée pour mettre en oeuvre l'étape d) d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes à partir de mesures, effectuées par chaque détecteur du groupe de détecteurs, d'une grandeur représentative d'une quantité de neutrons atteignant le détecteur.
12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel une couche (21) d'un matériau modérateur s'étend autour de chaque détecteur, de sorte que l'épaisseur de la couche, entre le détecteur et l'enceinte, est différente pour chaque détecteur.
13. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel la couche est formée de différents matériaux modérateurs.
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